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C++STL标准模板库详解

news 2025/8/17 9:52:57

一、引言

STL（Standard Template Library）是 C++ 标准库的核心组成部分，其中容器（Containers） 作为数据存储的基础组件，为开发者提供了丰富的数据结构选择。本文将聚焦 STL 容器的核心类型，结合具体 C++ 代码示例详解其特性、用法及适用场景，帮助读者在实际开发中精准选型。

二、序列容器（Sequence Containers）

序列容器按元素插入顺序存储数据，支持按位置访问，是最常用的容器类型。

2.1 `std::vector`：动态数组

特性：内存连续存储，支持随机访问，尾部插入 / 删除高效，中间插入 / 删除开销大。
适用场景：需要频繁随机访问、尾部操作的场景（如存储动态列表、缓存数据）。

代码示例：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;int main() {// 1. 初始化方式vector<int> vec1; // 空vectorvector<int> vec2(5, 10); // 5个元素，每个初始化为10vector<int> vec3 = {1, 2, 3, 4, 5}; // 初始化列表// 2. 尾部插入元素vec1.push_back(6);vec1.push_back(7);// 3. 随机访问（[]或at()）cout << "vec3[2] = " << vec3[2] << endl; // 输出3cout << "vec3.at(3) = " << vec3.at(3) << endl; // 输出4（带越界检查）// 4. 遍历元素（迭代器）cout << "vec3元素：";for (vector<int>::iterator it = vec3.begin(); it != vec3.end(); ++it) {cout << *it << " ";}cout << endl;// 5. 容量与大小cout << "vec3大小：" << vec3.size() << endl; // 5cout << "vec3容量：" << vec3.capacity() << endl; // 至少5（动态扩容）// 6. 中间插入元素（效率较低）vec3.insert(vec3.begin() + 2, 99); // 在索引2处插入99cout << "插入后vec3[2] = " << vec3[2] << endl; // 输出99return 0;
}

2.2 `std::list`：双向链表

特性：非连续存储，通过指针连接元素，任意位置插入 / 删除高效，不支持随机访问。
适用场景：需要频繁在中间插入 / 删除元素的场景（如实现链表、队列、邻接表）。

代码示例：

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main() {// 初始化列表list<int> lst = {3, 1, 4, 1, 5};// 1. 头部/尾部操作lst.push_front(0); // 头部插入0lst.push_back(6); // 尾部插入6// 2. 遍历（不支持[]访问，需迭代器）cout << "list元素：";for (auto it = lst.begin(); it != lst.end(); ++it) {cout << *it << " ";}cout << endl; // 输出：0 3 1 4 1 5 6// 3. 中间插入/删除auto it = lst.begin();advance(it, 2); // 移动迭代器到第2个元素（值为3的下一个元素1）lst.insert(it, 99); // 在1前插入99cout << "插入后元素：";for (int num : lst) { // 范围for循环cout << num << " ";}cout << endl; // 输出：0 3 99 1 4 1 5 6// 4. 删除指定值的元素lst.remove(1); // 删除所有值为1的元素cout << "删除1后元素：";for (int num : lst) {cout << num << " ";}cout << endl; // 输出：0 3 99 4 5 6return 0;
}

2.3 `std::deque`：双端队列

特性：分段连续内存，支持两端高效插入 / 删除，随机访问效率略低于 vector。
适用场景：需要频繁在头部和尾部操作的场景（如实现队列、缓冲区）。

代码示例：

#include <iostream>
#include <deque>
using namespace std;int main() {deque<int> dq;// 1. 两端插入dq.push_back(10); // 尾部插入dq.push_front(5); // 头部插入dq.push_back(20);dq.push_front(1);// 2. 随机访问cout << "dq[1] = " << dq[1] << endl; // 输出5cout << "dq.at(2) = " << dq.at(2) << endl; // 输出10// 3. 遍历cout << "deque元素：";for (int num : dq) {cout << num << " ";}cout << endl; // 输出：1 5 10 20// 4. 两端删除dq.pop_front(); // 删除头部元素1dq.pop_back(); // 删除尾部元素20cout << "删除后元素：";for (int num : dq) {cout << num << " ";}cout << endl; // 输出：5 10return 0;
}

三、关联容器（Associative Containers）

关联容器基于键（Key）存储元素，内部通常用红黑树实现，元素自动排序，支持高效查找。

3.1 `std::set`：有序唯一集合

特性：元素唯一且按升序排列，插入 / 查找 / 删除时间复杂度 O (log n)。
适用场景：需要去重并保持有序的集合（如存储唯一 ID、实现集合运算）。

代码示例：

#include <iostream>
#include <set>
using namespace std;int main() {// 初始化（自动排序+去重）set<int> s = {5, 2, 8, 2, 5, 9};// 1. 插入元素s.insert(3);// 2. 遍历（默认升序）cout << "set元素：";for (int num : s) {cout << num << " ";}cout << endl; // 输出：2 3 5 8 9// 3. 查找元素auto it = s.find(5);if (it != s.end()) {cout << "找到元素：" << *it << endl;} else {cout << "未找到元素" << endl;}// 4. 删除元素s.erase(8); // 删除值为8的元素cout << "删除8后元素：";for (int num : s) {cout << num << " ";}cout << endl; // 输出：2 3 5 9return 0;
}

3.2 `std::map`：有序键值对映射

特性：键唯一且按升序排列，通过键快速访问值，时间复杂度 O (log n)。
适用场景：需要键值对映射的场景（如字典、配置表、索引表）。

代码示例：

#include <iostream>
#include <map>
#include <string>
using namespace std;int main() {// 初始化键值对（键为int，值为string）map<int, string> student;// 1. 插入元素（三种方式）student[101] = "Alice"; // 下标法student.insert(pair<int, string>(102, "Bob")); // pair插入student.emplace(103, "Charlie"); // emplace（更高效）// 2. 遍历键值对cout << "学生信息：" << endl;for (auto& pair : student) { // 注意用引用避免拷贝cout << "学号：" << pair.first << "，姓名：" << pair.second << endl;}// 输出：// 学号：101，姓名：Alice// 学号：102，姓名：Bob// 学号：103，姓名：Charlie// 3. 查找键对应的值int id = 102;auto it = student.find(id);if (it != student.end()) {cout << id << "对应的姓名：" << it->second << endl; // 输出Bob}// 4. 删除键student.erase(101);cout << "删除101后学号101是否存在：" << (student.count(101) ? "是" : "否") << endl; // 输出否return 0;
}

3.3 `std::multiset` 与 `std::multimap`：允许重复键

特性：multiset 允许重复元素，multimap 允许重复键，均有序排列。
适用场景：需要存储重复元素 / 键的场景（如统计频率、一对多映射）。

代码示例（`multimap`）：

#include <iostream>
#include <map>
#include <string>
using namespace std;int main() {// 课程-学生映射（一门课对应多个学生）multimap<string, string> course;// 插入重复键course.insert({"Math", "Alice"});course.insert({"Math", "Bob"});course.insert({"Physics", "Charlie"});course.insert({"Math", "David"});// 1. 遍历所有键值对cout << "所有课程学生：" << endl;for (auto& pair : course) {cout << pair.first << "：" << pair.second << endl;}// 2. 查找特定键的所有值string key = "Math";cout << "\n" << key << "的学生：" << endl;auto range = course.equal_range(key); // 获取键为Math的范围for (auto it = range.first; it != range.second; ++it) {cout << it->second << endl; // 输出Alice、Bob、David}return 0;
}

四、无序关联容器（Unordered Associative Containers）

C++11 引入，基于哈希表实现，元素无序，平均插入 / 查找 / 删除时间复杂度 O (1)。

4.1 `std::unordered_set`：无序唯一集合

特性：元素唯一、无序，哈希表存储，查找效率极高（无排序开销）。
适用场景：只需去重和快速查找，不关心顺序的场景（如黑名单、存在性判断）。

代码示例：

#include <iostream>
#include <unordered_set>
using namespace std;int main() {unordered_set<string> fruits = {"apple", "banana", "orange"};// 1. 插入元素fruits.insert("grape");// 2. 遍历（无序）cout << "无序集合元素：";for (auto& fruit : fruits) {cout << fruit << " ";}cout << endl; // 输出顺序不确定// 3. 快速查找string target = "banana";if (fruits.count(target)) { // count()判断存在性cout << target << " 存在于集合中" << endl;}return 0;
}

4.2 `std::unordered_map`：无序键值对映射

特性：键唯一、无序，哈希表存储，适合高频查找场景。
适用场景：需要快速键值映射且不关心顺序的场景（如缓存、哈希表）。

代码示例：

#include <iostream>
#include <unordered_map>
#include <string>
using namespace std;int main() {// 姓名-年龄映射（无序）unordered_map<string, int> age;age["Alice"] = 20;age["Bob"] = 22;age["Charlie"] = 21;// 1. 遍历（无序）cout << "姓名-年龄：" << endl;for (auto& pair : age) {cout << pair.first << "：" << pair.second << endl;}// 2. 查找效率对比（哈希表 vs 红黑树）// 对于高频查找，unordered_map性能优于mapcout << "Bob的年龄：" << age["Bob"] << endl;return 0;
}

五、容器适配器（Container Adapters）

基于基础容器封装的特殊接口，简化特定场景使用。

5.1 `std::stack`：栈（LIFO）

特性：后进先出，基于 deque 默认实现，支持push（入栈）、pop（出栈）、top（取栈顶）。
适用场景：表达式求值、括号匹配、深度优先搜索（DFS）。

代码示例：

#include <iostream>
#include <stack>
using namespace std;int main() {stack<int> st;// 入栈st.push(1);st.push(2);st.push(3);// 栈顶元素cout << "栈顶元素：" << st.top() << endl; // 输出3// 出栈st.pop(); // 删除栈顶元素3cout << "出栈后栈顶：" << st.top() << endl; // 输出2// 栈大小cout << "栈大小：" << st.size() << endl; // 输出2return 0;
}

5.2 `std::queue`：队列（FIFO）

特性：先进先出，基于 deque 默认实现，支持push（入队）、pop（出队）、front（队首）。
适用场景：任务调度、广度优先搜索（BFS）、消息队列。

代码示例：

#include <iostream>
#include <queue>
using namespace std;int main() {queue<string> q;// 入队q.push("任务1");q.push("任务2");q.push("任务3");// 队首元素cout << "队首任务：" << q.front() << endl; // 输出任务1// 出队q.pop(); // 移除任务1cout << "出队后队首：" << q.front() << endl; // 输出任务2// 队列大小cout << "队列大小：" << q.size() << endl; // 输出2return 0;
}

5.3 `std::priority_queue`：优先队列

特性：元素按优先级排序（默认最大元素优先），基于 vector 默认实现。
适用场景：定时器、任务调度（高优先级先执行）、最大 / 最小堆场景。

代码示例：

#include <iostream>
#include <queue>
using namespace std;int main() {// 最大优先队列（默认）priority_queue<int> maxHeap;maxHeap.push(3);maxHeap.push(1);maxHeap.push(5);cout << "最大堆顶：" << maxHeap.top() << endl; // 输出5// 最小优先队列（通过greater<>实现）priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> minHeap;minHeap.push(3);minHeap.push(1);minHeap.push(5);cout << "最小堆顶：" << minHeap.top() << endl; // 输出1return 0;
}

六、容器选型决策指南

容器类型	核心特性	时间复杂度（插入 / 查找 / 删除）	适用场景
`vector`	连续内存，随机访问	尾部 O (1)，中间 O (n) / O (1)	随机访问、尾部操作多
`list`	双向链表，任意位置操作高效	O(1) / O(n)	频繁中间插入 / 删除
`deque`	双端操作高效，随机访问	两端 O (1) / O (1)	双端频繁操作
`set`/`map`	有序，唯一键，红黑树	O(log n) / O(log n)	有序集合、键值映射，需排序
`unordered_set`/`unordered_map`	无序，哈希表	平均 O (1) / 平均 O (1)	高频查找，不关心顺序
`stack`/`queue`	适配器，LIFO/FIFO	O(1)	栈 / 队列特定场景
`priority_queue`	优先级排序	O(log n)	高优先级任务调度