算法基础(三)——STL容器的简单使用

C++STL容器的使用

• § STL
• • 1. string
  • 2. vector
  • 3. stack
  • 4. queue
  • 5. deque
  • 6. priority_queue
  • 7. set
  • 8. map
  • 9. C++11后的容器
  • • unordered_set和unordered_map
• 刷题
• • 1.字符串括号匹配
  • 2.仓库日志
  • 3.编辑
  • 4.敲七
  • 5.查字典
  • 6.溶液模拟器
  • 7.上网统计

§ STL

• 标准模板库，日常简单理解为标准库

• 这三个字母在C++标准文档中没有出现，是人为制造出来的东西。于是STL的概念就没那么清楚、比较模糊，比如string是标准库里的，但不是标准模板库里的。因此string是不是STL里的不好说

• 不用纠结定义，就当奇闻轶事乐趣

• 6大组件
  ①容器
  ②迭代器：理解成指针
  ③适配器：容器进行二次封装得到的
  ④算法：如sort、lower_bound
  ⑤仿函数：C++特性，重载了()使得具有函数功能
  ⑥分配器：理解为C语言的malloc、calloc

1. string

• 头文件include ，string s;对应类 对象，如同int a对应类型 名
• 获取字符串长度

s.size();
s.length();
//返回值是 size_type,与int比较时得强转类型
//两个函数没有任何区别

错误想法：将字符串中的某一个字符改成字符串结束标志，希望把字符串给截掉

string s = "123";
s[1] = '';
cout << s.size();

• 查找

s.find("abc");
//s.find(查找什么, 下标从ind开始往后找而省略时默认为0)
//返回值也是size_type
//没找到返回值string::npos(no position 的缩写)
//没找到的返回值表现为unsigned long long的极大值即long long -1

//判断是否找到
if (s.find(...) == string::npos)
//将string::nops改成-1不太严谨

• 截取

s.substr(ind, 长度)
//ind指的是从下标为ind的位置开始截取
s.substr(ind);
//从ind开始截取到末尾

• 替换

s.replace(ind, 被替换字符串的长度, 替换成什么);
//删除，替换成空字符串即可

• 插入

s.insert(ind, 插入什么);

以上只是常见用法，在算法做题中够用，其它重载的功能可以在cppreference.com中查看

2. vector

• 向量，长度不定的动态数组。头文件#include ，类型定义vector<类型> 变量名

• 判空v.empty()，一般不怎么用，一般用下面的

• 返回元素数量v.size()

• 在vector的最后加入元素xv.push_back(x)

• 清空v.clear()
  以上只是写算法题时常用的，在指定位置插入元素略过，因为要使用迭代器

• 初始化与遍历

通过下标访问

//初始化10个int元素，默认0
vector v1(10);
//访问下标为3的元素
//访问跟数组访问的方式一样
cout << v1[3] << endl;

//初始化10个9
vector v2(10, 9);

//二维数组
//下面的两个>分开是因为C++11标准前的编译器会把>>当成右移运算符
vector > v3(5, vector(6, 10));
//初始化5行的一维数组，每个一维数组存放6个元素10

//列表初始化、遍历 C++11特性
vector v = {1, 2, 3, 4};
//auto自动推导类型
for (auto x : v) {
	cout << x << endl;
}

• vector有限空间+动态扩容

#include 
#include 
using namespace std;

int main() {
    vector v;
    int t = 0;
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        v.push_back(1);
        if (t != v.capacity()) {
            t = v.capacity();
            cout << t << endl;
        }
    }

    return 0;
}

扩容规则取决于环境、编译器

• 时间复杂度
  
  来源：cppreference

3. stack

• 栈，stack sta;
• 判空sta.empty()
• 元素数量sta.size()
• 入栈sta.push(x)

下面两个操作得保证栈非空

• 出栈sta.pop()
• 访问栈顶元素sta.top()

栈是用什么实现的？stack，默认使用双端队列deque(队首队尾都可以入队出队)，实现栈只需要关闭一些双端队列的功能。那么双端队列经过二次封装得到了栈这个容器适配器。

4. queue

• queue que，跟stack不能说一模一样，只能说是完全一致
• 判空
• 元素数量
• que.push(x)，入队尾；que.pop()，队首出
• 访问队首元素que.front()；访问队尾que.back()

演示：玩一个花的。只要是类型已知，都可以存，同理也可以存储自定义类型

#include 
#include 
using namespace std;

int main() {
    int num[10] = {1, 2, 3, 4, 5};
    queue que;
    que.push(&num[2]);
    que.push(&num[4]);
    while (!que.empty()) {
        int *p = que.front();
        que.pop();
        cout << *p << endl;
    }
    return 0;
}

自定义类型

#include 
#include 
using namespace std;

struct node {
    int x, y;
};

int main() {
    queue que;
    que.push((node){4, 6});
    //que.push({4, 6});
    que.push({0, 9});
    que.push({5, -1});
    que.push({0, 0});
    cout << "元素数量:" << que.size() << endl;
    while (!que.empty()) {
        node temp = que.front();
        que.pop();
        cout << temp.x << " " << temp.y << endl;
    }

    return 0;
}

• 实现方式和栈一样，是一个容器适配器

5. deque

• 双端队列，顺序容器，支持随机访问即可以通过[]直接访问
  基本操作

• 判空、获得数量

• 插入：队尾que.push_back(x)，队首que.push_front(x)

• 删除：队尾que.pop_back()，队首que.pop_front()

• 访问队首队尾元素：que.back()，que.front()

• 问题：以上操作时间复杂度都是常数级别O(1)，随机访问不是应该内存连续？双端队列底层实现逻辑：内存不连续，二级指针，通过偏移量访问

6. priority_queue

• 优先队列，和queue共用一个头文件
• 默认是大顶堆
• 操作和队列一样，除了访问元素。访问堆顶元素：que.top()
• 用小顶堆，用到第二个第三个模板参：priority_queue<类型, 用什么容器存储, 排序方法>，其中“排序方法”默认是less，与之对应的就是greater表示小顶堆
• C++中还有一个make_heap函数利用数组建堆，得到优先队列
• 自定义类型

#include 
#include 
using namespace std;

struct node {
    int x, y;
    //跟sort一样必须指定排序方法
    //堆里面的重载逻辑反着来
    bool operator<(const node &b) const {
    	//＜号，大顶堆
        return this->x < b.x;
    }
};

//方法二仿函数:重载括号的类
struct cmp {
	bool operator() (const node &a, const node &b) const {
		return a.x < b.x;
	}
};

int main() {
    priority_queue que;
    //priority_queue, cmp> que;
    que.push({5, 6});
    que.push({10, 1});
    que.push({7, 9});
    que.push({-1, 2});
    que.push({6, 8});
    while (!que.empty()) {
        node temp = que.top();
        que.pop();
        cout << temp.x << " " << temp.y << endl;
    }
    return 0;
}

7. set

• 集合，有序、去重，默认递增，自定义类型得指定排序规则
• 底层实现：现在能见到的的编译器都用红黑树实现，因为红黑树比较合适。但是标准没有定义，只规定插删等操作是平均对数级别限制复杂度
• 判空、返回集合元素数量
• 插入s.insert(x)
• 删除s.erase(x)
• 查找s.count(x)返回x的数量(要么是0要么是1)，s.find(x)返回的是指针/迭代器

代码演示1

#include 
#include 
using namespace std;

int main() {
    set s;
    s.insert(5);
    s.insert(8);
    s.insert(2);
    s.insert(-1);
    s.insert(0);
    cout << s.size() << endl;
    if (s.count(5) == 1) {
        cout << "5 yes" << endl;
    } else {
        cout << "5 no" << endl;
    }
    s.erase(5);
    if (s.count(5) == 0) {
        cout << "5 no" << endl;
    }
    for (auto it = s.begin(); it != s.end(); it++) {
        cout << (*it) << " ";
    }
    
    cout << endl;
    return 0;
}

结果

代码演示2：自定义类型指定排序方法

#include 
#include 
using namespace std;

struct node {
    int x, y;
    bool operator<(const node &a) const {
        return x + y > a.x + a.y;
    }
};

int main() {
    set s;
    s.insert({5, 0});
    s.insert({7, 2});
    s.insert({4, 9});
    s.insert({11, -1});
    cout << s.size() << endl;
    for (auto it = s.begin(); it != s.end(); it++) {
        cout << it->x << " " << it->y << "tsum = " << it->x + it->y << endl;
        //it当成指针使用
    }
    return 0;
}

结果

8. map

• 映射，唯一关系、键值对存储；有序(根据键排序)去重，map的升级版
• map m，键值对pair将两个元素糅在了一起(key→first，value→second)，而map中存储的正是这种键值对。键key是唯一的
• 判空、元素数量
• 插入m.insert(pair)
• 删除m.erase(key)删除键即可
• 查找m.count(key)或m.find(key)
• map重载的中括号[]，直接用m[key]修改或插入，因此通常都使用中括号插入元素！

代码演示

#include 
#include 

结果

9. C++11后的容器 unordered_set和unordered_map

• 用hash实现的集合和映射，简单的用法与set、map完全一样
• 头文件分别为自己的名字

	#include	#include
有序去重	set	map
有序不去重	multiset	multimap 中括号访问的是任意的,一般不用

	#include	#include
无序去重	unordered_set	unordered_map

	#include	#include
无序不去重	unordered_multiset	unordered_multimap

• 用自定义类型的unordered_map需要重载hash函数与==运算符

刷题 1.字符串括号匹配

378

样例输入1

a(cc[])bbb()@

样例输出1

YES

样例输入2

a(cc[)]bbb()@

样例输出2

NO

分析：

1. 只需要把括号入栈，左括号全入栈，右括号匹配出栈
2. 如果不匹配直接输出
3. 匹配完若栈不为空说明还有多余的左括号，不匹配

#include 
#include 
#include 
using namespace std;

int main() {
    stack sta;
    string s;
    cin >> s;
    int f = 0; // 1不匹配 0匹配
    for (auto c : s) {
        if (c == '(' || c == '[' || c == '{') {
            sta.push(c);
        } else if (c == ')') {
            if (!sta.empty() && sta.top() == '(') {
                sta.pop();
            } else {
                f = 1;
                break;
            }
        } else if (c == ']') {
            if (!sta.empty() && sta.top() == '[') {
                sta.pop();
            } else {
                f = 1;
                break;
            }
        } else if (c == '}') {
            if (!sta.empty() && sta.top() == '{') {
                sta.pop();
            } else {
                f = 1;
                break;
            }
        }
    }
    if (!sta.empty()) f = 1;
    if (f == 1) cout << "NO" << endl;
    else cout << "YES" << endl;
    return 0;
}

2.仓库日志

379

样例输入

13
0 1
0 2
2
0 4
0 2
2
1
2
1
1
2
1
2

样例输出

2
4
4
1
0

分析：建立一个辅助栈，存储最大值，每当存储的货物数量小于等于最大值栈的top元素值，则将此最大值再入一遍；若大于最大值，则入当前值。当然最开始先把0压栈。出栈时一同出栈即可(货物栈可以不需要)。

3.编辑

482

样例输入

dmih
11
B
B
P x
L
B
B
B
P y
D
D
P z

样例输出

yxz

分析：光标左右边分别建立栈

4.敲七

384

样例输入

4 3 6

样例输出

3

分析

• 约瑟夫环问题，但这里用数学公式有点麻烦
• 用队列模拟，判断队首，若安全则拿到队尾；否则直接出队
• 当队列元素为1时直接输出

5.查字典

575

样例输入

2
scan
10
word
15
2
scan
word

样例输出

10
15

分析

• unordered_map快一些

6.溶液模拟器

569

样例输入

100 100
2
P 100 0
Z

样例输出

200 50.00000
100 100.00000

分析

• 溶液质量=溶剂+溶质（盐水=盐+水）；浓度=溶质/溶液（盐/盐水）
• 有撤销操作肯定需要栈，存储每步加入的盐水的信息（自定义类型）
• 自定义结构

struct node {
	double v, c, salt;//体积、浓度、盐的质量
	//salt = v * c / 100; //c的符号是%
};

7.上网统计

566

样例输入

5 7
goodstudyer bookshopa
likespacea spaceweb
goodstudyer bookshopb
likespaceb spaceweb
likespacec spaceweb
likespacea juiceshop
gameplayer gameweb

样例输出

goodstudyer bookshopa bookshopb
likespacea spaceweb juiceshop
likespaceb spaceweb
likespacec spaceweb
gameplayer gameweb

分析

• 可以用map，用户 映射 下标
• vector二维数组，每个一维数组存储下标对应的网页地址
• 做法不唯一

其它题目573(用优先队列)