C++中模板和STL介绍详解

一、模板

1.1 模板的概念

模板是C++中的一种特殊的机制，可以帮助我们实现通用的重复使用的代码。相当于对代码进行了泛化处理，将一些具体类型变成参数供调用的时候注入不同的类型，大大提高了代码的复用性。

1.2 模板的语法

模板有两种类型：函数模板和类模板。函数模板定义的函数可以用于不同类型的参数，类模板定义的类也可以用于不同数据类型的参数。

函数模板：

函数模板的定义方式如下：

template <typename T>
T add(T x, T y) {
    return x + y;
}

其中，typename代表类型别名，可以换成class。

<T>中的T是一个类型参数列表，函数的自变量中可以使用T来表示类型参数，返回值使用T表示。

注：模板不可以分离到.h文件以外！

调用方式：

int main()
{
    int a = 1, b = 2;
    cout << add(a, b) << endl; // 3
    double c = 1.5, d = 2.5;
    cout << add(c, d) << endl; // 4
    return 0;
}

类模板：

类模板的定义方式如下：

template <typename T>
class Stack {
public:
    void push(T);
    T pop();
private:
    T elements[20];
    int size;
};

template <typename T>
void Stack<T>::push(T x) {
    if (size == 20) {throw "overflow";}
    elements[size++] = x;
}

template <typename T>
T Stack<T>::pop() {
    if (size == 0) {throw "underflow";}
    return elements[--size];
}

其中，<T>中的T是一个类型参数列表，类的成员函数中可以使用T来表示类型参数。

调用方式：

int main()
{
    Stack<int> s1;
    s1.push(1);
    s1.push(2);
    s1.push(3);
    cout << s1.pop() << endl; // 3
    cout << s1.pop() << endl; // 2
    cout << s1.pop() << endl; // 1

    Stack<double> s2;
    s2.push(1.5);
    s2.push(2.5);
    s2.push(3.5);
    cout << s2.pop() << endl; // 3.5
    cout << s2.pop() << endl; // 2.5
    cout << s2.pop() << endl; // 1.5
    return 0;
}

二、STL

2.1 STL的概念

STL（Standard Template Library），是C++语言中的标准模板库，包含了大量的模板类和函数，可以提供通用的程序设计解决方案，使程序员在开发应用程序时可以少写代码，减少出错的可能。它提供了序列容器、关联容器、迭代器、算法和函数对象等各种组件，是C++工业界的核心和基础。

2.2 STL的组件

常用的STL组件有：

容器：vector，list，deque，set，multiset，map，multimap等容器，主要负责存储和管理元素。
迭代器：输入迭代器，输出迭代器，前向迭代器，双向迭代器，随机访问迭代器。
算法：常用算法有：sort，search，foreach，find等，是对元素进行处理的代码片段。
函数对象：普通函数、函数指针、函数对象。是重载了括号运算符的对象，可看作函数指针。

2.3 STL之容器详解

以下以vector、list、set为例，讲解STL中常见容器的使用方式：

vector

vector是一个基于表达式的序列容器，是数组和链表的混合体，支持随机访问等高效操作，插入和删除元素时需要移动大量数据，所以效率较低。

定义一个vector容器：

vector<int> v1;

常用函数：

v1.push_back(10);        // 增加尾元素
v1.pop_back();           // 删除尾元素
v1.insert(v1.begin(), 2);// 在第一个元素前插入2
v1.erase v1.begin();     // 删除第一个元素
v1.clear();              // 删除所有元素
v1.empty();              // 容器是否为空
v1.size();               // 容器中元素的个数

list

list是一个基于表达式的链表容器，支持在序列的任意位置高效的插入和删除操作，但是访问操作的效率不高。

定义一个list容器：

list<int> l1;

常用函数：

l1.push_back(10);        // 增加尾元素
l1.pop_back();           // 删除尾元素
l1.push_front(2);        // 增加头元素
l1.pop_front();          // 删除头元素
l1.insert(l1.begin(), 2);// 在第一个元素前插入2
l1.erase l1.begin();     // 删除第一个元素
l1.clear();              // 删除所有元素
l1.empty();              // 容器是否为空
l1.size();               // 容器中元素的个数

set是一个基于红黑树的关联容器，元素自动排序，也可以自定义排序规则，支持查找、删除、插入等操作，但是不支持随机访问。

定义一个set容器：

set<int> s1;

常用函数：

s1.insert(10);        // 增加元素
s1.erase(10);         // 删除元素
s1.clear();           // 删除所有元素
s1.empty();           // 容器是否为空
s1.size();            // 容器中元素的个数

三、示例说明

3.1 示例一

功能：

定义一个栈模板类，能够存取任意数据类型的元素，并能进行进栈、退栈操作。使用vector作为底层存储结构，支持动态扩容。

代码实现：

template <typename T>
class Stack {
public:
    void push(T);
    T pop();
    int size();
private:
    vector<T> elements;
    int top = 0;
};

template <typename T>
void Stack<T>::push(T x) {
    elements.push_back(x);
    top++;
}

template <typename T>
T Stack<T>::pop() {
    if (top == 0) { throw "underflow"; }
    top--;
    T result = elements[top];
    elements.pop_back();
    return result;
}

template <typename T>
int Stack<T>::size() {
    return top;
}

3.2 示例二

功能：

使用STL中的set容器实现一个单词计数器。

代码实现：

void WordCount(string str)
{
    istringstream iss(str); // 将整个字符串转化为字符流
    set<string> s;
    while (!iss.eof()) // 以空格为分隔符将字符串分割成单词写入set中
    {
        string word;
        iss >> word;
        s.insert(word);
    }
    for (set<string>::iterator it = s.begin(); it != s.end(); it++) // 排序输出
    {
        int count = count_if(iss.begin(), iss.end(), [&](char c) {return c == *it[0]; });
        cout << *it << ":" << count << endl;
    }
}

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