STL 容器的成员函数与相关函数

引言

C++ 标准模板库（STL）提供了一系列功能丰富的容器，这些容器不仅封装了数据结构，还提供了大量成员函数用于操作数据。此外，STL 还包含许多与容器配合使用的非成员函数，它们扩展了容器的功能，使操作更加灵活。

一、通用成员函数

几乎所有 STL 容器都提供了一组基础的通用成员函数，用于获取容器信息、修改容器状态等。

1.1 基本信息函数

#include <iostream>
#include <vector>
#include <list>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
    std::list<std::string> lst = {"apple", "banana", "cherry"};
    
    // 容器大小相关
    std::cout << "vector大小: " << vec.size() << std::endl;          // 元素数量
    std::cout << "list为空? " << (lst.empty() ? "是" : "否") << std::endl;  // 是否为空
    std::cout << "vector最大容量: " << vec.max_size() << std::endl;  // 理论最大元素数
    
    // 容器内容操作
    vec.clear();  // 清空容器
    std::cout << "vector清空后大小: " << vec.size() << std::endl;
    
    lst.resize(5, "grape");  // 调整大小，新增元素用"grape"填充
    std::cout << "list调整大小后: " << lst.size() << std::endl;
    
    return 0;
}

1.2 迭代器相关函数

所有容器都提供了获取迭代器的函数，用于遍历容器元素：

#include <iostream>
#include <set>

int main() {
    std::set<int> s = {3, 1, 4, 1, 5, 9};
    
    // 获取迭代器
    auto it_begin = s.begin();    // 指向第一个元素的迭代器
    auto it_end = s.end();        // 指向最后一个元素之后的迭代器
    auto it_rbegin = s.rbegin();  // 指向最后一个元素的反向迭代器
    auto it_rend = s.rend();      // 指向第一个元素之前的反向迭代器
    
    // 常量迭代器（不能通过迭代器修改元素）
    auto it_cbegin = s.cbegin();  // const_iterator
    auto it_crend = s.crend();    // const_reverse_iterator
    
    std::cout << "正向遍历: ";
    for (auto it = it_begin; it != it_end; ++it) {
        std::cout << *it << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    
    std::cout << "反向遍历: ";
    for (auto it = it_rbegin; it != it_rend; ++it) {
        std::cout << *it << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    
    return 0;
}

二、序列容器特有成员函数

序列容器（如vector、list、deque等）提供了一系列针对序列结构的特有函数。

2.1 元素访问函数

#include <iostream>
#include <vector>
#include <deque>

int main() {
    std::vector<int> vec = {10, 20, 30, 40, 50};
    std::deque<std::string> dq = {"first", "second", "third"};
    
    // 访问元素
    std::cout << "vector第一个元素: " << vec.front() << std::endl;  // 第一个元素
    std::cout << "vector最后一个元素: " << vec.back() << std::endl;  // 最后一个元素
    std::cout << "vector[2]: " << vec[2] << std::endl;              // 随机访问
    std::cout << "vector.at(3): " << vec.at(3) << std::endl;        // 带边界检查的访问
    
    // 修改元素
    vec.front() = 100;
    vec.back() = 500;
    dq[1] = "modified";
    
    std::cout << "修改后vector: ";
    for (int num : vec) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    
    return 0;
}

2.2 插入与删除函数

#include <iostream>
#include <list>

int main() {
    std::list<int> lst = {1, 2, 3};
    
    // 插入元素
    lst.push_back(4);               // 在末尾插入
    lst.push_front(0);              // 在开头插入
    
    auto it = lst.begin();
    std::advance(it, 2);            // 移动迭代器到第3个元素
    lst.insert(it, 100);            // 在迭代器位置插入
    
    std::cout << "插入后: ";
    for (int num : lst) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    
    // 删除元素
    lst.pop_back();                 // 删除末尾元素
    lst.pop_front();                // 删除开头元素
    
    auto it2 = lst.begin();
    std::advance(it2, 1);
    lst.erase(it2);                 // 删除迭代器指向的元素
    
    std::cout << "删除后: ";
    for (int num : lst) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    
    return 0;
}

2.3 vector 特有的容量管理函数

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> vec;
    
    vec.reserve(100);  // 预留存储空间，避免多次内存分配
    std::cout << "容量: " << vec.capacity() << ", 大小: " << vec.size() << std::endl;
    
    for (int i = 0; i < 20; ++i) {
        vec.push_back(i);
    }
    std::cout << "容量: " << vec.capacity() << ", 大小: " << vec.size() << std::endl;
    
    vec.shrink_to_fit();  // 减少容量以匹配大小
    std::cout << "收缩后容量: " << vec.capacity() << ", 大小: " << vec.size() << std::endl;
    
    return 0;
}

三、关联容器特有成员函数

关联容器（如set、map、multiset、multimap）提供了基于键的操作函数。

3.1 查找与计数函数

#include <iostream>
#include <map>
#include <set>

int main() {
    std::map<std::string, int> score = {
        {"Alice", 90}, {"Bob", 85}, {"Charlie", 95}
    };
    std::multiset<int> nums = {3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5};
    
    // map查找
    auto it = score.find("Bob");
    if (it != score.end()) {
        std::cout << "Bob的分数: " << it->second << std::endl;
    }
    
    // 计数
    std::cout << "multiset中5的个数: " << nums.count(5) << std::endl;
    
    // 范围查找
    auto range = nums.equal_range(5);
    std::cout << "multiset中所有的5: ";
    for (auto it = range.first; it != range.second; ++it) {
        std::cout << *it << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    
    return 0;
}

3.2 插入与删除函数

#include <iostream>
#include <set>
#include <map>

int main() {
    std::set<int> s;
    std::map<int, std::string> m;
    
    // 插入元素
    auto [it1, inserted1] = s.insert(5);  // C++17返回pair<iterator, bool>
    std::cout << "5是否插入成功? " << (inserted1 ? "是" : "否") << std::endl;
    
    auto [it2, inserted2] = s.insert(5);  // 重复插入
    std::cout << "再次插入5是否成功? " << (inserted2 ? "是" : "否") << std::endl;
    
    // map插入
    m.insert({1, "one"});
    m.insert(std::make_pair(2, "two"));
    
    // 删除元素
    size_t erased = s.erase(5);  // 返回删除的元素个数
    std::cout << "删除的元素个数: " << erased << std::endl;
    
    return 0;
}

四、无序容器特有成员函数

无序容器（如unordered_set、unordered_map）提供了与哈希相关的特有函数。

#include <iostream>
#include <unordered_map>

int main() {
    std::unordered_map<std::string, int> um = {
        {"apple", 5}, {"banana", 3}, {"cherry", 7}
    };
    
    // 哈希桶相关操作
    std::cout << "桶数量: " << um.bucket_count() << std::endl;
    std::cout << "负载因子: " << um.load_factor() << std::endl;
    std::cout << "最大负载因子: " << um.max_load_factor() << std::endl;
    
    // 查找元素所在的桶
    std::string key = "banana";
    std::cout << key << "所在的桶: " << um.bucket(key) << std::endl;
    std::cout << "该桶中的元素数量: " << um.bucket_size(um.bucket(key)) << std::endl;
    
    // 重新哈希
    um.rehash(20);  // 设置桶数量至少为20
    std::cout << "重新哈希后桶数量: " << um.bucket_count() << std::endl;
    
    return 0;
}

五、容器相关的非成员函数

STL 提供了许多非成员函数，用于操作容器，这些函数通常比成员函数更通用。

5.1 比较函数

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>  // 比较函数所在头文件

int main() {
    std::vector<int> v1 = {1, 2, 3, 4};
    std::vector<int> v2 = {1, 2, 3, 4};
    std::vector<int> v3 = {1, 2, 3};
    
    // 容器比较
    if (v1 == v2) {
        std::cout << "v1与v2相等" << std::endl;
    }
    
    if (v3 < v1) {
        std::cout << "v3小于v1" << std::endl;
    }
    
    return 0;
}

5.2 交换函数

#include <iostream>
#include <list>
#include <algorithm>

int main() {
    std::list<int> a = {1, 2, 3};
    std::list<int> b = {4, 5, 6};
    
    std::cout << "交换前: ";
    for (int num : a) std::cout << num << " ";
    std::cout << "| ";
    for (int num : b) std::cout << num << " ";
    std::cout << std::endl;
    
    // 交换两个容器内容
    std::swap(a, b);
    
    std::cout << "交换后: ";
    for (int num : a) std::cout << num << " ";
    std::cout << "| ";
    for (int num : b) std::cout << num << " ";
    std::cout << std::endl;
    
    return 0;
}

5.3 迭代器辅助函数

#include <iostream>
#include <vector>
#include <iterator>  // 迭代器辅助函数

int main() {
    std::vector<int> vec = {10, 20, 30, 40, 50};
    
    // 计算迭代器距离
    auto start = vec.begin();
    auto end = vec.end();
    std::cout << "容器长度: " << std::distance(start, end) << std::endl;
    
    // 移动迭代器
    auto it = vec.begin();
    std::advance(it, 2);  // 向前移动2个位置
    std::cout << "移动后迭代器指向: " << *it << std::endl;
    
    // 复制迭代器并移动
    auto it2 = std::next(it);  // it2指向it的下一个元素
    auto it3 = std::prev(end); // it3指向end的前一个元素
    std::cout << "*it2: " << *it2 << ", *it3: " << *it3 << std::endl;
    
    return 0;
}

5.4 算法函数

虽然不属于容器成员函数，但 STL 算法常与容器配合使用：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>  // 算法库

int main() {
    std::vector<int> vec = {3, 1, 4, 1, 5, 9};
    
    // 排序
    std::sort(vec.begin(), vec.end());
    std::cout << "排序后: ";
    for (int num : vec) std::cout << num << " ";
    std::cout << std::endl;
    
    // 查找
    int target = 5;
    auto it = std::find(vec.begin(), vec.end(), target);
    if (it != vec.end()) {
        std::cout << "找到" << target << "，位置: " << std::distance(vec.begin(), it) << std::endl;
    }
    
    // 计数
    int count = std::count(vec.begin(), vec.end(), 1);
    std::cout << "1出现的次数: " << count << std::endl;
    
    return 0;
}