《C++ Primer》2. C++ 标准库
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[C++] [C++ Primer]

IO 库

包括三种流：iostream（基类）、fstream（文件）、sstream（字符串），这三种流每种都有宽字符和窄字符两类，每一类又可以细分为输入流、输出流、输入输出流

各种不同类型的流有继承关系

IO 对象没有拷贝或者赋值：

ofstream out1, out2;
out1 = out2;           // 错误，不能对流对象赋值

IO 流的条件状态、iostate、clear 清除错误、setstate 方法

输出缓冲区刷新的原因：

  • 程序正常结束，作为 main 函数 return 操作的一部分，缓冲刷新被执行
  • 缓冲区满
  • endl、flush、ends 等操作显式刷新缓冲区
  • 可以用操纵符 unitbuf 设置流的内部状态，告诉流接下来的每次写操作后都进行一次 flush 操作来清空缓冲区。默认情况下 cerr 是设置 unitbuf 的，写到 cerr 的内容是立即刷新的
  • 输出流可能会关联到另一个流，读写被关联的流时，关联到流的缓冲区会被刷新。一般 cin 和 cerr 是关联 cout 的

文件流在析构时自动关闭打开的文件

顺序容器

标准库中的顺序容器：

  • vector：可变大小数组，支持快速随机访问，在尾部之外的位置插入或删除元素可能很慢
  • deque：双端队列，支持快速随机访问
  • list：双向链表，只支持双向顺序访问
  • forward_list：单向链表，只支持单向顺序访问
  • array：固定大小数组，不能添加或删除元素
  • string：与 vector 相似的容器，但专门用于保存字符

如果没有默认构造函数，那么必须传给容器一个初始化函数

内置数组不支持拷贝，但是 array 支持

array 容器类模板需要指定容器大小，如：

array<int, 42> arr;

容器类型别名

  • iterator：迭代器
  • const_iterator
  • reverse_iterator
  • size_type
  • difference_type：带符号的整数类型，足够保存两个迭代器之间的距离
  • value_type：元素类型
  • reference：元素的左值类型，与 value_type & 含义相同
  • const_reference：元素的 const 左值类型

顺序容器操作

swap 方法：

  • 除 string 和 array 外，指向容器的迭代器、引用和指针在 swap 操作后都不会失效，它们仍指向 swap 操作之前所指向的元素，但是在 swap 之后已经属于不同的容器了
  • string 执行 swap 后会导致迭代器、引用和指针失效
  • array 执行 swap 会真正交换它们的元素。因此指针、引用和迭代器所绑定的元素保持不变，但进行了值交换

向顺序容器中添加元素：

  • push_back：除 array 和 forward_list 外都支持
  • push_front：list、forward_list 和 deque 支持
  • insert：传入一个迭代器，将元素插入到该迭代器之前的位置。还可以传入数量。它返回第一个新加入元素的迭代器，如果数量为 0，则直接返回传入的迭代器
  • emplace 操作：将参数传递给元素类型的构造函数，容器直接在相应内存空间构造元素

当用一个对象初始化容器时，或将对象插入到容器中时，实际上将元素拷贝进容器

访问元素：

  • front：每个顺序容器都有
  • back：除去 forward_list 都有
  • at 和下标访问：支持快速随机访问的容器（string、vector、deque、array）提供。at 会检查下标是否越界，抛出 out_of_range 异常

如果容器为空，那么访问 front 和 back 都是未定义行为

这几个方法返回的都是引用，如果容器是 const，那么返回的是 const 引用

删除元素：

  • pop_back、pop_front
  • erase：可以传入一个迭代器或两个迭代器（表示范围），返回删除的最后一个元素之后一个位置的迭代器

forward_list 的特殊操作：

由于插入、删除操作需要访问前驱，所以它有所不同，定义了 insert_after、emplace_after、erase_after 等方法

并且，定义了首前（off-the-beginning）迭代器 before_begin() 来让我们将元素放到 head 之前

容器操作可能使得迭代器失效

添加元素后：

  • vector 和 string 在添加元素后可能会扩容，此时重新分配空间，原来的迭代器、指针和引用会失效
  • 对于 deque：
    • 它是分段存储，内部存储了段指针数组，而迭代器依赖于这个指针数组
    • 插入到首尾位置之外的任何位置，可能在段之间移动元素，位置发生变化，所以可能会导致迭代器、指针和引用失效
    • 插入首尾位置，可能会分配新的段，但是底层数据结构不会整体移动，所以引用和指针不会失效，但是迭代器会失效
  • 对于列表，添加元素后迭代器、指针和引用仍然有效

删除元素后：

  • 对于 vector 和 string，指向被删元素之前元素的迭代器、指针和引用仍有效
  • 对于 deque：
    • 在首尾之外的位置删除元素，指向被删元素外的其他元素的迭代器、指针和引用失效
    • 在首位置删除元素，其他元素不影响
    • 在尾位置删除元素，除了 end() 迭代器外，其他元素不影响
  • 对于列表，其他元素不影响

注意，不要保存 end 返回的迭代器

容器大小管理操作

如果没有空间容纳新元素，那么容器会分配新空间保存已有的元素和新元素，将已有元素从旧位置移动到新空间中，释放旧存储空间

一般一次扩容会分配 1.5 或 2 倍空间

容器大小管理操作：

  • shrink_to_fit：只适用于 vector、string 和 deque，将 capacity() 减少为与 size() 相同大小。具体实现并不一定退回内存空间
  • capacity：返回不重新分配空间的前提下可以保存元素的数量
  • reserve：传入整数 n，分配至少能容纳 n 个元素的空间

下面两个只适用于 vector 和 string

原则：只有当迫不得已时才可以分配新的内存空间

额外的 string 操作

  • substr
  • append、replace
  • find、rfind、find_first_of 等
  • compare 函数
  • 转换函数：to_string、stoi、stol、stof 等

容器适配器

除了顺序容器外，标准库还定义了三个顺序容器适配器：

  • stack：接受除 array 和 forward_list 外的顺序容器，默认基于 deque
  • queue：接受 deque（默认）和 list
  • priority_queue：接受 vector（默认）和 deque

泛型算法

只读算法、写容器元素的算法、重排容器元素的算法

谓词：可调用的表达式，一元谓词、二元谓词

可调用对象、lambda 表达式

lambda 表达式不能有默认参数

lambda 实际上是个匿名对象，可以捕获环境（值方式和引用方式）

对于值方式捕获的变量，如果想要改变被捕获的变量，需要加 mutable 关键字：

void fcn3() {
    size_t v1 = 42;
    auto f = [v1] () mutable { return ++v1; }
    v1 = 0;
    auto j = f();   // j 为 43
}

引用捕获的直接改就行

参数绑定

bind 函数进行参数绑定：

int f(int, int, int, int, int);

auto g = bind(f, a, b, _2, c, _1);

上面的代码将有五个参数的函数 f 转换为有两个参数的 g

其中，_1 和 _2是占位符，在 std::placeholders 命名空间下

默认情况下，bind 通过拷贝的方式将非占位符参数传递给原函数，但是我们可以通过 ref 函数让它通过引用方式传递：

ostream & print(ostring & os, const string & s, char c) {
    return os << s << c;
}

for_each(words.begin(), words.end(), bind(print, os, _1, ' '));        // 错误，os 不能拷贝
for_each(words.begin(), words.end(), bind(print, ref(os), _1, ' '));   // 正确

除此之外，还有 cref 函数，传递 const 引用

这些函数都定义在头文件 functional 中

旧版本的 bind1st 和 bind2nd 等已被弃用

额外的迭代器

除了为每个容器定义的迭代器外，还定义了额外的几种迭代器：

插入迭代器

一种迭代器适配器，实现给容器添加元素

it = t 表示在 it 处插入值 t，根据类型会调用 push_back、push_front、insert

*it、++it、it++ 都不会对 it 做任何事情，每个操作都返回 it

有三种类型：back_inserter、front_inserter、inserter

注意插入顺序： copy(a.begin(), a.end(), front_inserter(...)) 会将 a 中的元素依次插入到头部，这会导致顺序颠倒

流迭代器

用于 IO 类型对象的迭代器

istream_iterator 用于输入流，ostream_iterator 用于输出流。这两个迭代器要求容器实现了 >> 或者 <<

istream_iterator：

  • 默认构造函数构造了一个处于尾后位置的迭代器，如：

    istream_iterator<int> in_iter(cin), eof;
vector<int> vec(in_iter, eof);

  • 允许懒惰读取

ostream_iterator：

  • 构造函数允许传入一个输出流 os 和一个字符串 d（可选），字符串 d 表示输出时每个值后面都输出一个 d
  • 解引用、递增无效

反向迭代器

除了 forward_list 之外其他容器都支持反向迭代器，使用 rbegin、rend 等来获取反向迭代器

反向迭代器需要递减运算符，因此不能从 forward_list 和流中构造反向迭代器

使用 base 方法可以转回正常的迭代器

移动迭代器

后面的章节会介绍

泛型算法结构

算法要求的迭代器操作可以分为 5 个迭代器类别：

  • 输入迭代器：只读不写，单遍扫描，只能递增
  • 输出迭代器：只写不读，单遍扫描，只能递增
  • 前向迭代器：可读写，多遍扫描，只能递增
  • 双向迭代器：可读写，多遍扫描，可递增递减
  • 随机访问迭代器：可读写，多遍扫描，支持全部迭代器运算

C++ 标准指明了泛型和数值算法的每个迭代器参数的最小类别

如果名字后面加一个 _copy，那就是算法的拷贝版本

链表的特定算法

list 和 forward_list 定义了几个成员函数形式的算法，如 sort、merge、remove、reverse 等

它们还定义了 splice 算法

链表特有的操作会改变容器

关联容器

标准库提供 8 个管理容器：

  • map
  • set
  • multimap、multiset：关键字可重复出现的 map 和 set
  • unordered_map、unordered_set、unordered_multimap、unordered_multiset：哈希组织的关联容器

有序的关联容器使用 < 运算符来比较两个关键字，并且关键字的比较函数必须严格弱序

关联容器的类型别名：

  • key_value
  • mapped_type：每个关键字关联的类型（仅 map）
  • value_type：set 中与 key_value 相同，map 中为 pair<const key_type, mapped_type>

set 的迭代器是 const 的，map 的迭代器中关键字也是 const 的

通常不对关联容器使用泛型算法

插入元素

可以使用 insert 和 emplace，对于非 multi 容器，它们的返回值通常是一个 pair：

  • 第一个元素是迭代器，指向具有给定关键字的元素
  • 第二个元素是一个 bool 值，表示是否插入成功

而对于 multi 容器，无需返回 bool 值，它们直接返回一个指向新元素的迭代器

删除元素

关联容器定义了三个版本的 erase，可以传入迭代器、元素值、首尾迭代器

返回实际删除的元素数量

访问元素

map 的下标操作：

如果关键字不在 map 中，那么下标操作会添加一个具有此关键字的元素到 map 中

而 at 方法会进行参数检查，如果没有该关键字，返回 out_of_range 异常

下标操作和 at 方法都返回一个左值

可以使用 map 的 find 方法代替下标操作，此外还提供 count、lower_bound 之类的访问元素的方法

在 multi 容器中，使用迭代器加 count 来访问元素：

string search_item("aaa");
auto entries = authors.count(search_item);
auto iter = authors.find(search_item);

while (entries) {
    cout << iter->second << endl;
    ++iter;
    --entries;
}

或者使用 lower_bound 和 upper_bound 的组合

或者直接使用 equal_range 来直接得到两个迭代器表示区间

动态内存

两种智能指针：shared_ptr 和 unique_ptr，此外还有一个 weak_ptr

shared_ptr 和 unique_ptr 都支持的操作：

  • 默认构造函数返回一个空智能指针
  • operator bool() 返回内部的指针是否为空指针
  • get 方法返回内部的裸指针
  • swap 方法用来交换两个只能指针中的指针

shared_ptr 类支持：

  • make_shared<T>(...) 方法，传入参数，使用这些参数来初始化一个 T 类型的对象
  • shared_ptr<T> p(q)：拷贝构造函数，会递增计数器，并且 q 内的指针要能转换成 T*
  • p = q：拷贝赋值运算符，会递减 p 原来的引用计数，递增 q 的引用计数
  • unique 方法：返回是否只有当前这一个引用
  • use_count 方法：返回当前的引用计数，可能很慢
  • 还有一些传入删除器的方法和构造函数，下面讲

unique_ptr 类支持：

  • 带删除器的构造函数
  • release 方法：放弃控制权，返回指针
  • reset、reset(q)、reset(nullptr)：释放当前指针，然后换成 q 或者空指针

unique_ptr 不能被拷贝，只能被移动；shared_ptr 可以被拷贝和移动

new 的一些操作

可以使用 auto 推断要 new 的对象的类型，但只要当括号中仅有单一初始化器时才可以使用

auto p1 = new auto(obj);

使用 new 分配内存时如果发生错误，会抛出 bad_alloc 异常，可以这样阻止：

int * p1 = new int;              // 如果分配失败，抛出异常
int * p2 = new (nothrow) int;    // 如果分配失败，返回空指针

这是定位 new 的一种

shared_ptr 和 new 结合使用

只支持显式调用构造函数：

shared_ptr<int> p1(new int(42));   // 正确
shared_ptr<int> p2 = new int(42);  // 错误

还可以：

  • 使用 shared_ptr<T> p(q, d) 构造函数来用 d 替代 shared_ptr 中的 delete 操作
  • reset() 方法：更新引用计数，并替换为空指针
  • reset(q)：更新引用计数，并替换为 q
  • reset(q, d)：注意此时 d 是用来释放 q 的

不要混合使用普通指针和智能指针

不要使用 get 初始化另一个智能指针或为智能指针赋值

发生异常时，智能指针也可以自动释放资源

上面的 d 被叫做删除器（deleter），如：

void end_connection(connection * p ) { disconnect(*p); }
void f(destination & d) {
    connection c = connect(&d);
    shared_ptr<connection> p(&c, end_connection);
    // 使用连接
    // 当 f 退出时（即使是由于异常而退出），connection 会被正确关闭
}

weak_ptr

image-20250322211821242

weak_ptr 不能直接访问对象，需要使用 lock 方法：

if (shared_ptr<int> np = wp.lock()) {
    // ...
}

使用 lock 时会增加相应 shared_ptr 的引用计数

动态数组

创建大小为 0 的动态数组是合法的：

char arr[0];                // 错误
char * cp = new char[0];    // 正确

此时 cp 是一个合法的非空指针，但是它不能解引用

unique_ptr 有适用于动态数组的版本，如：

unique_ptr<int[]> up(new int[10]);
up.release();

注意，此时 release 方法会自动销毁这个动态数组！

shared_ptr 不直接支持管理动态数组，我们必须提供一个删除器：

shared_ptr<int> sp(new int[10], [](int * p) { delete [] p; });
sp.reset();

并且必须使用 get 获得原始指针后再使用下标

allocator 类

allocator 类帮助我们将内存分配和对象构造分离开来，它的用法如下：

image-20250322213120522

它默认分配的内存是未构造的（unconstructed），也可以接受额外参数来构造

我们只能对已经真正构造了的元素进行 destory 操作

标准库还为 alloctor 类定义了两个伴随算法：

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Milk Feng
May all the beauty be blessed
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移植自 Makito's Journal.

© Milk Feng - CC BY-NC 4.0