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C++ 容器入门：从初始化到常用操作全解析

news 2025/11/2 16:24:25

对于 C++ 新手来说，容器是编写高效代码的基础工具。容器本质上是用于存储和管理数据的类模板，C++ 标准库（STL）提供了多种容器，每种容器都有独特的底层结构和适用场景。本文将按类别介绍常用容器，包括初始化、遍历和核心操作，帮助新手快速上手。

一、容器的分类

STL 容器主要分为四大类，新手需先明确各类容器的核心特点：

类别	代表容器	核心特点	适用场景
序列式容器	vector、list、deque	数据按插入顺序存储，可通过索引 / 迭代器访问	需按顺序存储、频繁访问或修改数据
关联式容器	map、set、multimap、multiset	数据自动排序（基于红黑树），通过键值访问	需快速查找、排序或去重数据
无序关联式容器	unordered_map、unordered_set	数据无序存储（基于哈希表），通过键值访问	需超快速查找（O (1) 复杂度），不关心排序
适配器容器	stack、queue、priority_queue	基于其他容器封装，提供特定操作接口	需特定数据结构（如栈、队列）的场景

二、序列式容器：按顺序存储数据

序列式容器是新手最易理解的类型，数据存储顺序与插入顺序一致，支持直接访问。

1. vector：动态数组（最常用）

底层结构：动态数组（内存连续），支持快速随机访问，但插入 / 删除尾部外元素效率低。

核心优势：访问速度快（O (1)），内存连续，适合频繁读操作。

（1）初始化方式

#include <vector>
using namespace std;// 1. 空vector
vector<int> v1;// 2. 初始化n个默认值（int默认0，string默认空）
vector<int> v2(5);       // 存储：[0,0,0,0,0]
vector<string> v3(3);    // 存储：["","",""]// 3. 初始化n个指定值
vector<int> v4(4, 10);   // 存储：[10,10,10,10]// 4. 用数组/其他容器初始化
int arr[] = {1,2,3,4};
vector<int> v5(arr, arr+4);          // 用数组初始化（左闭右开）
vector<int> v6(v5.begin(), v5.end());// 用其他vector初始化
vector<int> v7 = {1,2,3,4,5};        // C++11后支持列表初始化（推荐）

（2）遍历方式

// 1. 下标访问（类似数组，仅vector和deque支持）
for (int i = 0; i < v7.size(); i++) {cout << v7[i] << " ";  // 输出：1 2 3 4 5
}// 2. 迭代器（通用遍历方式，所有容器支持）
vector<int>::iterator it;  // 普通迭代器（可修改数据）
for (it = v7.begin(); it != v7.end(); it++) {*it += 1;              // 修改数据（每个元素+1）cout << *it << " ";    // 输出：2 3 4 5 6
}// 3. 范围for循环（C++11后，简洁推荐）
for (int num : v7) {cout << num << " ";    // 输出：2 3 4 5 6
}
// 若需修改数据，加引用：for (int& num : v7) { num +=1; }

（3）常用方法

方法	功能	示例
size()	返回元素个数	int len = v7.size();（结果为 5）
push_back(x)	在尾部添加元素 x	v7.push_back(6);（v7 变为 [2,3,4,5,6,6]）
pop_back()	删除尾部元素（无返回）	v7.pop_back();（v7 变回 [2,3,4,5,6]）
empty()	判断是否为空（空返回 true）	if (v7.empty()) { … }
clear()	清空所有元素	v7.clear();（size 变为 0，内存不释放）
insert(pos, x)	在迭代器 pos 位置插入 x	v7.insert(v7.begin()+2, 9);（在第 3 位插入 9）
erase(pos)	删除迭代器 pos 位置元素	v7.erase(v7.begin()+2);（删除第 3 位元素）

2. list：双向链表

底层结构：双向链表（内存不连续），插入 / 删除效率高（O (1)），但不支持随机访问。

核心优势：适合频繁在中间插入 / 删除数据（如链表操作）。

（1）初始化与 vector 类似

#include <list>
list<int> l1;                  // 空list
list<int> l2(3, 5);            // 3个5：[5,5,5]
list<int> l3 = {1,2,3,4};      // 列表初始化

（2）遍历：仅支持迭代器和范围 for

// 不支持下标访问！必须用迭代器
for (list<int>::iterator it = l3.begin(); it != l3.end(); it++) {cout << *it << " ";  // 输出：1 2 3 4
}// 范围for（推荐）
for (int num : l3) {cout << num << " ";
}

（3）独特常用方法

除size()、empty()、clear()外，list 有链表专属方法：

方法	功能	示例
push_front(x)	在头部添加 x	l3.push_front(0);（l3 变为 [0,1,2,3,4]）
pop_front()	删除头部元素	l3.pop_front();（l3 变回 [1,2,3,4]）
insert(pos, x)	在 pos 位置插入 x（效率高）	l3.insert(l3.begin()+1, 9);（无需移动元素）
remove(x)	删除所有值为 x 的元素	l3.remove(2);（删除所有 2）

3. deque：双端队列

底层结构：分段连续内存（类似 “动态数组的数组”），支持头部和尾部快速操作。

核心优势：兼顾 vector 的随机访问和 list 的首尾操作效率，适合 “队列” 场景。

关键特点

支持下标访问（deque[0]）和迭代器遍历；
常用方法：push_front(x)、push_back(x)、pop_front()、pop_back()（首尾操作均为 O (1)）；
初始化和遍历与 vector 完全一致，新手可先类比 vector 学习。

三、关联式容器：自动排序的 “字典”

关联式容器基于红黑树实现，数据会自动按 “键值” 排序，支持快速查找（O (log n)）。核心是 “键（key）” 和 “值（value）” 的映射关系。

1. map：键值对映射（键唯一）

核心特点：每个元素是pair<key, value>（键值对），键不能重复，自动按键排序（默认升序）。

适用场景：需要 “字典” 功能（如姓名→成绩、ID→信息）。

（1）初始化方式

#include <map>
using namespace std;// 1. 空map（键int，值string）
map<int, string> m1;// 2. 插入键值对（3种方式）
m1[1] = "Alice";          // 下标插入（键1对应值Alice）
m1.insert(pair<int, string>(2, "Bob"));  // pair插入
m1.insert({3, "Charlie"});               // C++11列表插入（推荐）// 3. 直接初始化
map<int, string> m2 = {{1, "Alice"},{2, "Bob"},{3, "Charlie"}
};

（2）遍历方式

// 1. 迭代器（需访问pair的first和second）
map<int, string>::iterator it;
for (it = m2.begin(); it != m2.end(); it++) {// it->first是键，it->second是值cout << "ID:" << it->first << " Name:" << it->second << endl;
}// 2. 范围for（推荐，用auto简化类型）
for (auto& pair : m2) {  // auto自动识别为pair<int, string>cout << "ID:" << pair.first << " Name:" << pair.second << endl;
}

（3）常用方法

方法	功能	示例
size()	返回键值对个数	int len = m2.size();（结果为 3）
find(key)	查找键为 key 的元素，返回迭代器	auto it = m2.find(2);（找到返回对应迭代器）
count(key)	统计键为 key 的个数（map 中仅 0 或 1）	if (m2.count(2) > 0) { … }（判断键是否存在）
erase(key)	删除键为 key 的元素	m2.erase(2);（删除 ID=2 的键值对）
clear()	清空所有元素	m2.clear();

2. set：仅存储键（键唯一且排序）

核心特点：仅存储 “键”（无值），键唯一且自动排序，本质是 “去重 + 排序” 的集合。

适用场景：需要去重或排序的数据（如统计不重复的成绩）。

关键操作（类比 map）

#include <set>
set<int> s = {3,1,2,3};  // 初始化，自动去重并排序为[1,2,3]// 遍历
for (int num : s) {cout << num << " ";  // 输出：1 2 3
}// 常用方法
s.insert(4);             // 插入4（变为[1,2,3,4]）
s.erase(2);              // 删除2（变为[1,3,4]）
if (s.find(3) != s.end()) {  // 查找3是否存在cout << "3 exists";
}

3. multimap/multiset：允许键重复

multimap：键可重复，其他与 map 一致（如按键排序）；
multiset：键可重复，其他与 set 一致；
区别：count(key)可能返回大于 1 的值，find(key)返回第一个匹配的键。

四、无序关联式容器：快速查找的 “哈希表”

无序关联式容器基于哈希表实现，数据无序存储，但查找效率极高（平均 O (1)），适合 “只查不改” 或 “频繁查找” 场景。

核心容器：unordered_map和unordered_set，用法与map/set完全一致，仅两点区别：

数据无序（遍历顺序与插入顺序无关）；
不支持按键排序相关操作（如lower_bound）。

示例（unordered_map）：

#include <unordered_map>
unordered_map<int, string> um = {{1, "Alice"},{2, "Bob"}
};// 遍历（顺序不确定，可能是2→1或1→2）
for (auto& pair : um) {cout << pair.first << ":" << pair.second << endl;
}// 查找效率比map高（哈希表直接定位）
auto it = um.find(1);  // 平均O(1)时间

五、适配器容器：封装后的 “专用工具”

适配器容器不直接存储数据，而是基于其他容器（如 vector、deque）封装，提供特定操作接口，新手需掌握核心用法。

1. stack：栈（先进后出）

底层依赖：默认基于 deque，支持push（入栈）、pop（出栈）、top（取栈顶）。

#include <stack>
stack<int> st;st.push(1);  // 入栈：[1]
st.push(2);  // 入栈：[1,2]
cout << st.top();  // 取栈顶：2
st.pop();          // 出栈：[1]
cout << st.size(); // 大小：1

2. queue：队列（先进先出）

底层依赖：默认基于 deque，支持push（入队）、pop（出队）、front（取队首）。

#include <queue>
queue<int> q;q.push(1);  // 入队：[1]
q.push(2);  // 入队：[1,2]
cout << q.front();  // 取队首：1
q.pop();            // 出队：[2]

3. priority_queue：优先队列（自动排序）

底层依赖：默认基于 vector，数据自动按 “大顶堆” 排序（队首是最大值）。

#include <queue>
priority_queue<int> pq;pq.push(3);  // 入队：[3]
pq.push(1);  // 入队后排序：[3,1]
pq.push(2);  // 入队后排序：[3,2,1]
cout << pq.top();  // 取最大值：3
pq.pop();          // 出队后排序：[2,1]