C++STL概览

一、核心组成模块

1. 容器体系（Containers）

• 序列容器

  • vector：动态数组（随机访问O(1)，尾部插入O(1)）
  • deque：双端队列（支持高效首尾插入）
  • list：双向链表（任意位置插入O(1)，但无随机访问）
  • forward_list（C++11）：单向链表（内存占用更小）

• 关联容器

  • map/set：红黑树实现的有序容器（查找O(logN)）
  • multimap/multiset：允许重复键值

• 无序容器（C++11）

  • unordered_map/unordered_set：哈希表实现（平均查找O(1)）
  • 支持自定义哈希函数与等价谓词

• 容器适配器

  • stack：默认基于deque实现的后进先出结构
  • queue：先进先出队列（可基于list优化）
  • priority_queue：堆结构实现的最大优先级队列

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2. 算法框架（Algorithms）

• 泛型算法设计

  • 解耦数据与操作：通过迭代器接口统一访问容器
  • 典型算法：
    • 排序：sort（快速排序）、stable_sort（归并排序）
    • 查找：find（线性搜索）、binary_search（二分查找）
    • 数值运算：accumulate（累加）、partial_sum（前缀和）

• 策略定制

  • 支持自定义比较器（如greater<>改变排序顺序）
  • 谓词函数：find_if等算法可配合lambda表达式

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3. 迭代器机制（Iterators）

• 类型体系

  迭代器类型	支持操作	典型容器
  输入迭代器	只读、单遍扫描	istream_iterator
  输出迭代器	只写、单遍扫描	ostream_iterator
  前向迭代器	多遍扫描	forward_list
  双向迭代器	支持--操作	list/map
  随机访问迭代器	支持+n跳转	vector/array

• 迭代器适配器

  • reverse_iterator：逆向遍历容器
  • insert_iterator：实现容器元素的批量插入

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二、关键扩展组件

1. 函数对象与Lambda

• 函数对象（Functors）

  struct Compare {
    bool operator()(int a, int b) const { 
      return abs(a) < abs(b); 
    }
  };
  sort(v.begin(), v.end(), Compare());
  

• Lambda表达式（C++11）

  auto lambda = [threshold](int x) { return x > threshold; };
  auto it = find_if(v.begin(), v.end(), lambda);
  

2. 智能指针体系（C++11）

• unique_ptr

  • 独占所有权模型，支持自定义删除器

  auto ptr = std::make_unique<MyClass>(args);
  

• shared_ptr

  • 引用计数实现共享所有权
  • weak_ptr解决循环引用问题

3. 字符串增强

• string_view（C++17）
  • 非拥有字符串视图，避免不必要的拷贝

  void process(std::string_view sv) {
    // 可接受string、char[]等多种输入
  }
  

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三、系统级支持

1. 输入输出系统

• 流层次结构

• 高级特性

  • 本地化支持（std::locale）
  • 格式化控制（std::format C++20）

2. 并发编程模型

• 线程管理

  std::jthread worker([](std::stop_token st) { // C++20
    while(!st.stop_requested()) {
      // 后台任务
    }
  });
  

• 原子操作

  std::atomic<int> counter{0};
  counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
  

3. 数值计算工具

• 随机数库（C++11）

  std::mt19937 gen(std::random_device{}());
  std::uniform_int_distribution<> dis(1, 6);
  int dice_roll = dis(gen); 
  

• 复数运算

  std::complex<double> z(2, 3); // 2+3i
  

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四、现代演进方向

C++标准演进

版本	关键特性
C++11	移动语义、lambda、智能指针
C++17	结构化绑定、并行算法
C++20	概念约束（Concepts）、协程
C++23	堆栈踪（stacktrace）、mdspan

设计哲学

1. 泛型编程范式

   • 通过模板实现算法与数据类型的完全解耦
   • 例：sort算法可处理任何支持<操作的类型

2. 零开销原则

   • 抽象不带来额外运行时开销（如vector与原生数组性能相当）

3. 可扩展接口

   • 允许用户自定义类型融入标准库生态（如实现迭代器接口与容器交互）

我们在努力扩大自己，以靠近，以触及我们自身以外的世界。 —博尔赫斯谈话录