【OOP】模板與STL初步

来源:https://www.cnblogs.com/bljw-02/archive/2022/05/10/16255316.html
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STL初步認識:介紹了【什麼是STL】,以及【STL庫里的常見容器】,也對【迭代器】進行了簡短的說明。 ...



命名空間

問題背景

設想,在一次的大規模程式中,你和幾位搭檔合作寫代碼。

由於所需的代碼量無比龐大,你們遇到了一個無法避免的問題——標識符命名高度重合,造成了代碼極度混亂。

如果要重新修改標識符的名稱,不僅耗時耗力,還會導致代碼的可讀性降低。

這種情況下,你會怎麼解決這個棘手的問題呢?

。。。。。。。。。。(手動暫停,讓我們來稍作思考)。。。。。。。。。。

這時候,團隊里的大神提議,將每個人的代碼中所用到的標識符,都放進各自的一個專屬空間里。

例:A、B、C 三人,雖然都用了標識符名稱 x,但是放入各自的空間後,就可以用 A 的 x、 B 的 x、 C 的 x 來區分這三個同名不同意義的 x。

經過嘗試和實行後,你們發現,問題果然迎刃而解了。

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知識點

  • 命名空間 = 名字空間 = 名稱空間 = namespace

    • 是標識符的可見範圍/作用域
    • 多個命名空間中可以定義同樣的標識符,但是不同命名空間內的標識符意義不同,且互不幹擾
    • 最常見的命名空間是 std,包含了標準 C++ 庫的所有內容
  • 使用方法:

    • 定義命名空間

      namespace A {
          int x;
          float y;
      }
      
    • 使用命名空間

      • 直接使用

        // 使用命名空間 A 里的標識符 x 和 y
        A::x = 3;	
        A::y = 2.2;
        
      • 使用整個命名空間

        using namespace A;	// 直接聲明要使用的命名空間
        
        // 由於已經聲明瞭使用命名空間 A,因此可以直接使用標識符
        x = 3;
        y = 2.2;
        
      • 使用部分命名空間

        using A::x;		// 聲明要使用命名空間 A 的 x
        x = 3;			// 由於提前聲明,因此可以直接使用
        A::y;			// 因為沒有聲明要用 y,所有要用 A::y
        

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STL初步

簡介

我們最常用的命名空間是 std,因此在一開始學習代碼的時候就會用using namespace std

在命名空間 std 里,有一個十分重要且實用的 C++ 軟體庫——STL。

  • STL = Standard Template Library = 標準模板庫
    • 包含組件:演算法、容器、函數、迭代器
    • 關鍵理念:基於模板編寫,將 “要操作的數據” 和 “對數據執行的操作” 分離
    • 命名空間:std
      • 使用時需要用 std::name
      • 可以直接 using namespace std(但是在大型工程中不推薦使用)

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容器

容器是包含、放置數據的工具,可以分為:簡單容器、序列容器、關聯容器。

1. 簡單容器(simple container)

  • 例子:pair、tuple
  • 實際上,pair 和 tuple 也不能算是容器,只可以算是 STL 中基本的數據單位

A) pair

  • 由兩個單獨數據組成(可以是同數據類型/不同數據類型)

  • 常用於 map 中,也可以用於函數中兩個返回值的傳遞

  • 代碼實現:

    template <class T1, class T2>       // 基於模板編寫
    struct pair {
        T1 first;                       // 第一個成員變數
        T2 second;                      // 第二個成員變數
    }
    
  • 使用方法:

    #include <utility>			// pair 的頭文件
    #include <string>			// string 的頭文件
    using namespace std;		      
    
    int main() 
    {
        // 方法1:同時創建+初始化
        pair <string, float> p1 ("Karry", 92.1);
        
        // 方法2:創建之後再賦值
        pair <string, float> p2;
        p2.first = "Brenda";
        p2.second = 22.1;
        
        // 方法3:使用函數 make_pair 創建+初始化
        // 優勢:程式可以自動推導成員變數的類型
        auto p3 = make_pair ("Roy", 11.8);
        
        return 0;
    }
    
  • 訪問方法:

    // 因為 pair 只有兩個元素,只需要用 first 和 second 來訪問
    cout << p1.first << " " << p2.second << endl;
    
    // 輸出結果為:Karry 22.1
    
  • pair 進行大小比較(先比較 first,再比較 second)

    template<class T1, class T2>
    void compare(T1 a, T2 b) {
    	if (a > b)
    		cout << ">" << endl;
    	else if (a < b)
    		cout << "<" << endl;
    	else if (a == b)
    		cout << "=" << endl;
    }
    
    //(1)
    pair <string, int> x = make_pair (2, "Alice");
    pair <string, int> y = make_pair (2, "Bob");
    compare(x,y);
    // 輸出結果為:<
    
    //(2)
    pair <string, int> x = make_pair (2, "Alice");
    pair <string, int> y = make_pair (1, "Bob");
    compare(x,y);
    // 輸出結果為:>
    
    //(3)
    pair <string, int> x = make_pair (2, "Bob");
    pair <string, int> y = make_pair (2, "Bob");
    compare(x,y);
    // 輸出結果為:=
    

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B) tuple

  • 和 pair 類似,但是可以由 n 個數據組成

  • 適用於有多個返回值的函數的返回值傳遞

  • 使用方法:

    #include <tuple>        // tuple 的頭文件
    #include <string>       // string 的頭文件
    using namespace std;
    
    int main() 
    {
        // 方法1:同時創建+初始化(需要多少個數據就寫多少個)
        tuple <string, int, float> p1 ("Karry", 23, 92.1);
        
        // 方法2:使用函數 make_tuple 創建+初始化
        auto p2 = make_tuple ("Brenda", 20, 22.1);
        
        // 方法3:結合函數 tie 和 make_tuple 進行賦值創建
        // 沒有一個特定的 tuple 標識符,但是可以同時對個別數據進行操作
        string name;
        int age;
        float marks;
        tie (name, age, marks) = make_tuple ("Roy", 22, 11.8);
        
        return 0;
    }
    
  • 訪問方法:

    // 使用 get 函數,通過下標訪問
    // 下標需要在編譯時確定,只能使用確定的數字,不能使用變數,否則會編譯錯誤
    auto x = get <0> (p1);	// p1[0] = "Karry"
    auto y = get <1> (p2);	// p2[1] = 20
    auto z = get <2> (p3);	// p3[2] = 11.8
    
    cout << x << " " << y << " " << z << endl;
    // 輸出結果為:Karry 20 11.8
    
  • 對 tuple 進行大小比較的方式和 pair 類似 [點擊跳轉]

  • 返回值類型為 tuple 時:

    tuple <int, float> calc(int n) {
        return make_tuple(n + 2, n / 2.0);
    }
    
    // 方法1:用 tuple 來接收函數返回值
    tuple <int, float> a;
    a = calc(3);
    cout << get<0>(a) << " " << get<1>(a) << endl;
    
    // 方法2:用 tie 函數來接收函數返回值
    // 優勢:可以直接分開使用函數返回值
    int num;
    float data;
    tie(num, data) = calc(3);
    cout << num << " " << data << endl;
    
    // 輸出結果皆為:5 1.5
    

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2. 序列容器(sequence container)

  • 例子:array、vector、deque、list、forward list

  • 特點概覽:

    長度 添加元素 刪除元素 訪問元素
    array 固定 可以在任意位置 可以在任意位置 通過下標
    vector 不固定 一般在尾部 一般在尾部 通過下標
    deque 不固定 在頭部、尾部 在頭部、尾部 通過下標
    list 不固定 可以在任意位置 可以在任意位置 雙向
    forward list 不固定 可以在任意位置 可以在任意位置 只可以正向

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A) vector

  • 可以自動擴展容量的動態數組

    • 容量(capacity)是可以存放的數據數量,大小(size)是現存放的數據數量
    • 當 size 達到 capacity 時,會自動將 capacity 擴充一倍
  • 使用方法:

    #include <vector>	   // vector 的頭文件
    using namespace std;
    
    // 創建:vector <容器中的數據類型> 容器名稱;
    vector <int> vec;
    
  • 常用函數:

    vec.size();                           // 返回 vector vec 中的元素數量
    
    vec.clear();                          // 清空數組
    
    vec.push_back(1);                     // 把 1 添加進 vector vec
    
    vec.pop_back();                       // 把最後一個元素刪除
    
    vec.insert(vec.begin() + ind, 5);     // 在下標為 ind 的位置添加元素 5,其餘元素往後挪
    
    vec.erase(vec.begin() + ind);         // 把下標為 ind 的數據刪除
    
  • 遍歷方法:

    // 方法1:使用下標
    for (int ind = 0; ind < vec.size(); ++ind) {
        cout << vec[ind] << " ";
    }
    
    // 方法2:按照範圍
    for (auto &x : vec) {
        cout << x << " ";
    }
    
    // 方法3:使用迭代器
    // 為了方便,也可以使用 auto it;
    vector <int>::iterator it;
    for (it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {
        cout << *it << " ";
    }
    

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B) list

  • 雙向鏈表容器

    • list 中的元素可以分散存儲在記憶體空間

      優勢:在任意位置插入和刪除元素的時間複雜度 = O(1),效率高,且迭代器不會失效

      缺點:無法使用下標訪問元素,只能遍歷尋找

  • 使用方法:

    #include <list>		// list 的頭文件
    using namespace std;
    
    // 創建:list <存儲的數據類型> 標識符名稱;
    list <int> num;
    
  • 常用函數:

    num.push_front(1);                    // 在頭部插入元素 1
    num.push_back(1);                     // 在尾部添加元素 1
    
    num.pop_front();                      // 刪除第一個元素
    num.pop_back();                       // 刪除最後一個元素
    
    num.insert(iter, 1);                  // 在 iter 指向的位置添加元素 1
    num.erase(iter);                      // 刪除 iter 指向的位置的元素
    
    find(num.begin(), num.end(), 1);      // 返回元素 1 所在位置的迭代器
    

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3. 關聯容器(associative container)

  • 關聯性容器,實現了有序關聯數組
  • 使用的數據結構是 “紅黑樹”(一種二叉平衡樹)
  • 例子:set、map

A) set

  • set 是包含不重覆元素的無序集合

    無序,指的是 set 內的元素不按照 “插入順序” 進行排列

  • 內部的元素根據大小順序進行排列

  • 使用方法:

    #include <set>			// map 的頭文件
    using namespace std;
    
    set <int> s;
    
  • 常用函數:

    s.insert(val);            // 插入元素 val(不可以插入重覆的元素)
    
    s.find(val);              // 返回 val 所在位置的迭代器
    
    s.erase(s.find(val));     // 由於 set 無序且無法用下標訪問,需要遍歷尋找再進行刪除
    
    s.count(val);             // 統計 set 內有多少元素 val
                              // 由於不允許出現重覆性的元素,因此返回值只有 0 和 1
    

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B) map

  • 將一個數據映射到另一個數據,每個元素都是一個 pair <Key, T>

    map 中的每個 Key 不允許出現重覆

  • 可以通過下標訪問,訪問時如果元素不存在,則會創建一個

  • 使用方法:

    #include <map>		// map 的頭文件
    #include <string>	// string 的頭文件
    using namespace std;
    
    int main() 
    {
        map <string, int> m;
    
        // 添加的方法1
        // 為 map 中添加 make_pair("Karry", 921)
        m["Karry"] = 921;		
    
        // 添加的方法2
        m.insert(make_pair("Brenda", 221));
        
        return 0;
    }
    
  • 常用函數:

    m.find(key);		// 返回指向 key 的迭代器
    
    m.count(key);		// 返回 map 內 key 的數量
    		        // 由於不允許出現重覆元素,因此返回值只有 0 或 1
    
    m.erase(m.find(key));	// 刪除元素 key
    

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迭代器

介紹

  • 迭代器(iterator)類似指針,是一種用來遍歷元素的數據類型

    優勢:不需要暴露訪問對象的內部表示就可以順序訪問對象的元素

  • 以 vector 為例的使用方法:

    // 定義迭代器
    // 迭代器 iter 指向 int 類型的 vector
    vector <int>::iterator iter;
    
    x.begin();	// 返回 vector x 中第一個元素的迭代器
    x.end();	// 返回 vector x 中最後一個元素之後的位置的迭代器
    		// begin 和 end 形成了左閉右開的區間
    
    ++iter		// 下一個位置的迭代器
    --iter		// 上一個位置的迭代器
    iter += n	// 從 iter 位置開始算,後面第 n 個位置的迭代器
    iter -= n	// 從 iter 位置開始算,前面第 n 個位置的迭代器
    
    *iter		// 解引用運算符,返回左值引用,返回 iter 指向的位置的數據    
    
  • 用迭代器來遍歷容器的方法可參考 vector 處的遍歷方法

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失效

  • 迭代器失效 = 迭代器不再指向原本應指向的元素

  • 以 vector 為例,導致迭代器失效的情況:

    1. 添加元素

      • 使用 insert 插入元素

        在特定位置添加元素,其餘的元素會向後挪,由於原先記憶體空間存儲的元素改變,因此受影響的迭代器失效。

      • 使用 push_back 插入元素

        當 size 達到 capacity 時,vector 會額外申請一個 2*capacity 的記憶體空間,並將原有的數據移到新記憶體空間,因此所有的迭代器均失效。

    2. 刪除元素

      • 使用 erase 刪除元素

        刪除特定位置的元素後,其餘位置會向前挪,原先的記憶體空間存儲的元素改變,受影響的迭代器失效。例:

        vector <int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
        auto first = vec.begin();		// first 指向 1
        auto second = vec.begin() + 1;	        // second 指向 2
        auto third = vec.begin() + 2;	        // third 指向 3
        
        auto itr = vec.erase(second);
        // 刪除了迭代器 second 指向的元素,vec = {1, 3, 4, 5}
        // first 指向 1,沒有改變
        // second 和 third 失效
        // itr 指向第二個位置的新元素 3
        
  • 迭代器的失效和容器的數據結構有關,絕對安全的準則是:修改了容器內容後,不使用先前的迭代器

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