cs106L: C++标准库编程¶

课程名称：斯坦福公开课：cs106L: C++标准库编程(2020)

课程地址：https://web.stanford.edu/class/archive/cs/cs106l/cs106l.1204/index.html。

在线观看地址：https://www.bilibili.com/video/BV19x4y1E79V/?vd_source=f3e532bab07bd39d7aa9e7d412b650c5。

工具：

在线编译器：https://www.onlinegdb.com/online_c++_compiler
另一个在线编译器：https://cpp.sh
C++语言参考：https://cplusplus.com/reference/

部分笔记内容来自：

简介¶

CS106L课程目标¶

Goals of CS 106L:

Learn what features are out there in C++ and why they exist. 了解 C++ 中有哪些功能以及它们存在的原因。
Become comfortable with reading C++ documentation. 习惯阅读 C++ 文档。
Become familiar with the design philosophy of modern C++. 熟悉现代C++的设计哲学。

C++语言历史¶

从Hello, world说起。

C++ 版本C 版本汇编版本(C语言嵌套汇编)纯汇编版本

#include <iostream>

int hello_cpp() {
    std::cout << "Hello, world!" << std::endl;
    return 0;
}

int main() {
    hello_cpp();
}

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"

int hello_c() {
    printf("%s", "Hello, world!\n");
    return EXIT_SUCCESS;
}

int main() {
    hello_c();
}

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"

/*
* Wrapper function for convenience
*/
void myputs(char *s) {
    puts(s);
}

/*
* This will probably not work on your computer.
* Assembly is not at all portable; a good
* reason to avoid using it!
*
* Those of you who have taken 107 should
* be able to somewhat see what is happening here.
*/
int hello_as() {
    /* The assembly literally writes the hex representation
    * of as big a portion of the string as it can into the addresses
    * at range rsp to rsp + 0xd. That range is exactly 12 bytes long
    * as there are 12 characters in the "Hello, wordl!" string.
    */
    asm("sub    $0x20,%rsp\n\t"
        "movabs $0x77202c6f6c6c6548,%rax\n\t"   // moves "Hello, w" portion to mem at $rsp
        "mov    %rax,(%rsp)\n\t"
        "movl   $0x646c726f, 0x8(%rsp)\n\t"     // moves "orld"  portion to mem at $rsp + 8
        "movw   $0x21, 0xc(%rsp)\n\t"           // moves "!" portion to mem at $rsp + 12
        "movb   $0x0,0xd(%rsp)\n\t"             // moves string null terminator to mem at $rsp + 13
        "leaq    (%rsp),%rax\n\t"               // loads address of $rsp as first argument to puts
        "mov    %rax,%rdi\n\t"
        "call  __Z6myputsPc\n\t"                // calls puts
        "add    $0x20, %rsp\n\t"
    );
    return EXIT_SUCCESS;
}

int main() {
    hello_as();
}

section .text
global _start ;must be declared for linker (ld)

_start: ;tell linker entry point
    mov edx,len ;message length
    mov ecx,msg ;message to write
    mov ebx,1 ;file descriptor (stdout)
    mov eax,4 ;system call number (sys_write)
    int 0x80 ;call kernel
    mov eax,1 ;system call number (sys_exit)
    int 0x80 ;call kernel

section .data
msg db 'Hello, world!',0xa ;our dear string
len equ $ - msg ;length of our dear string

汇编¶

好处(Benefits)：

Unbelievably simple instructions 指令简单的令人难以置信
Extremely fast (when well-written) 如果写得好的话，速度极快
Complete control over your program 你可以完全控制你的程序

缺点：

Requires lots of code to do simple tasks 需要大量代码来完成简单的任务
Hard to understand other people’s code 很难理解别人的代码
Extremely unportable 极其不具有可移植性

C语言的诞生(Invention of C )¶

Writing assembly was too difficult but computers only understood assembly.

编写汇编太难了，只有计算机才能了解汇编。于是C语言诞生了:

可以用更直观的方式编写源代码
通过可以将其转换为汇编语言

K&R(K en Thompson(肯·汤普森) and Dennis R itchie(丹尼斯·里奇))在 1972 年创建了 C，C 使编写代码变得容易:

快速 Fast
简单 Simple
跨平台 Cross-platform

C语言缺点(weakness)：

无对象或类 No objects or classes
很难编写通用的代码 Difficult to write code that worked generically
编写大型程序时很乏味 Tedious when writing large programs

C++语言的诞生¶

1983 年，C++ 的第一个遗迹由比亚恩·斯特鲁斯特鲁普(Bjarne Stroustrup)创造。他想要一种语言：

快速 Fast
简单易用 Simple to Use
跨平台 Cross-platform
具有高级功能 Had high level features

C++的设计哲学 Design Philosophy of C++¶

Allow the programmer full control, responsibility, and choice if they want it. 允许程序员完全控制、负责和如果他们想要的话，可以选择。

Express ideas and intent directly in code. 直接在代码中表达想法和意图。

以下面求整数向量的和为例:

方式1方式2方式3

vector<int> vec = {1, 2, 3};
int sum = 0;
for (auto val : vec) {
    sum += val;
}

vector<int> vec = {1, 2, 3};
int sum = 0;
for (const auto& val : vec) { // 相比方式1，表明只是访问向量的值
    sum += val;
}

vector<int> vec = {1, 2, 3};
int sum = std::accumulate(vec.begin(), vec.end(), 0); // 相比方式2，语义性更强，
// 一眼可以看出来是向量求和

Enforce safety at compile time whenever possible. 尽可能在编译时强制执行安全性。
Do not waste time or space. 不浪费时间或空间。
Compartmentalize messy constructs. 划分混乱的结构。

流 Streams¶

字符串流 stringstream¶

字符串流 stringstream 构造函数¶

ostringstream（Output String Stream） 是一个输出流，指的是数据从程序的其他部分 "输出" 到 ostringstream 对象中，然后被存储在内部的字符串缓冲区里。
istringstream（Input String Stream） 是一个输入流，指的是数据从 istringstream 对象 "输入" 到程序其他部分中。

istringstream iss("Initial");
ostringstream oss("Initial");

istringstream iss("Initial", stringstream::bin); // 以二进制binary形式打开
ostringstream oss("Initial", stringstream::ate); // ate: start at end 打开之后，立刻移动到流的末尾

字符串流格式的 I/O stringstream formatted i/o¶

oss << var1 << var2; // 依次将var1，var2写入到oss的buffer中

iss >> var1 >> var2; // 将iss的buffer数据抽取到var1

字符串流根据空白字符分割token是怎么回事？¶

流会在遇到任何空白处停止读取或该类型的任何无效字符处停止读取。

示例1：

#include <iostream>
#include <sstream>

using namespace std;

int main() {
  istringstream iss("16.9 \n Ounces. . \t \n \n -38271");
  string token1, token2, token3, token4;
  iss >> token1 >> token2 >> token3 >> token4;
  cout << "token1: " << token1 << "\n";
  cout << "token2: " << token2 << "\n";
  cout << "token3: " << token3 << "\n";
  cout << "token4: " << token4 << endl;
}

上面代码输出以下内容：

token1: 16.9
token2: Ounces.
token3: .
token4: -38271

示例2：

#include <iostream>
#include <sstream>

using namespace std;

int main() {
  istringstream iss("16.9 \n Ounces. . \t \n \n -38271");
  int token1;
  string token2;
  char token3;
  bool token4;
  iss >> token1 >> token2 >> token3 >> token4;
  cout << "token1: " << token1 << "\n";
  cout << "token2: " << token2 << "\n";
  cout << "token3: " << token3 << "\n";
  cout << "token4: " << token4 << endl;
}

上面代码输出以下内容：

token1: 16
token2: .9
token3: O
token4: 0

示例3：

ostringstream示例istringstream示例

#include <iostream>
#include <sstream>

using namespace std;

int main() {
ostringstream oss("hello");
cout << "oss buffer pos: " << oss.tellp() << endl;  // 输出oss buffer pos: 0
cout << oss.str() << endl;
;  // 输出hello，str()以字符串形式返回oss的buffer

oss << "hi";
cout << oss.str() << endl;  // 输出hillo，oss的buffer初始指针指向起始位置，
                            // 所以写入时候会覆盖之前数据
cout << "oss buffer pos: " << oss.tellp() << endl;  // oss buffer pos: 2
oss << " world";
cout << oss.str() << endl;  // 输出hi world

ostringstream oss2("hello", ostringstream::ate);
cout << "oss2 buffer pos: " << oss2.tellp()
    << endl;  // 输出oss2 buffer pos: 5
cout << oss2.str() << endl;
;  // 输出hello

oss2 << "hi";
cout << oss2.str() << endl;  // 输出hellohi
}

#include <iostream>
#include <sstream>

using namespace std;

int main() {
istringstream iss("16.9 Ounces");
double amount;
string unit;

iss >> amount >> unit;

cout << "amount: " << amount << endl; // 输出amount: 16.9
cout << "unit: " << unit << endl; // 输出unit: Ounces
}

字符串流的位置相关函数¶

// 获取位置
oss.tellp();
iss.tellg();

// 设置位置
oss.seekp(pos);
iss.seekg(pos);

ostringstream中的tellp()中的 p，来自"put position",表示输出位置，tellp()返回当前输出位置的偏移量，即从字符串流的开始到当前输出位置的字符数。这个位置用于跟踪你在字符串中写入了多少字符。
istringsteam中的tellg()中的 g，来自 "get position"，表示输入位置。tellg() 返回当前输入位置的偏移量，即从字符串流的开始到当前输入位置的字符数。这个位置用于跟踪你在字符串中读取了多少字符。

要点 Key Takeaways¶

>> 运算符用于提取特定类型的下一个变量，会跳过最开始的空白字符后一直读取直到遇到下一个空白（这个空白不会跳过）。
>> 和 << 运算符返回对流的引用本身，因此在每个实例中流都是左侧操作数。
对字符串流。读写同时往往会导致微妙的错误，要小心！

状态位¶

C++的流中有四个状态位(state bits)，用来标志流的状态：

Good bit: 表示准备好了，可以进行读写操作
Fail bit: 表示之前的操作失败了，后面的所有操作都会冻结（都会操作失败），一般是由于输入数据的格式不正确或者违反了预期的逻辑
EOF bit: 表示之前的操作已经达到了buffer的末尾，没有更多数据可读了。
Bad bit: 表示发生流其他错了，意味着流遇到了严重错误，比如内存分配失败或者底层系统错误

状态位相关成员函数¶

bool ios::bad():

当bad bit设置时候，返回true，否则返回false
bool ios::eof():

当检测到文件末尾(eof)时候，会设置eof bit，此时会返回true，否则返回false
bool ios::fail():

当bad()返回true或者设置fail bit设置时候，返回true，否则返回false
bool ios::good():

当没有设置bad bit, eof bit, fail bit时候，返回true，否则返回false
void iso::clear():

用于当流发生可以修复的错误时候，清除错误状态。clear(int state)是其重载版本，其先清除状态，然后设置状态state
ios::iostate ios::rdstate():

返回当前流对象当前的标志位值。我们可以通过按位与测试特定标志位
void ios::setstate(ios::iostate state):

用来设置标志位

示例1：

构造一个ostream对象，但没有提供streambuf对象，所以这个streambuf永远不会正常工作，所以它bad bit一开始就被置位。

std::ostream error(0);
std::cout << std::boolalpha << error.bad() << std::endl; // 输出true

示例2：

当从cin中读取一行文本时候，如果该行文本不是由"\n"字符结尾，那么getline会达到文件末尾，从而触发eof bit，此时cin.eof()会返回true。

getline(cin, str);
cout << cin.eof();

编译上面程序，生成二进制可执行文件program，然后执行下面命令:

echo "hello, world" | ./program // 输出0
echo -n "hello, world" | ./program // 输出1

示例3：

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

void state() {
  cout << "\n"
          "Bad: "
       << cin.bad()
       << " "
          "Fail: "
       << cin.fail()
       << " "
          "Eof: "
       << cin.eof()
       << " "
          "Good: "
       << cin.good() << '\n';
}

int main() {
  string line;
  int x;

  cin >> x;
  state();

  cin.clear();
  getline(cin, line);
  state();

  getline(cin, line);
  state();
}

编译上面程序，生成二进制可执行文件program，然后执行下面命令:

echo -n "hello\nworld" | ./program

上面命令将输出一下内容：

Bad: 0 Fail: 1 Eof: 0 Good: 0

Bad: 0 Fail: 0 Eof: 0 Good: 1

Bad: 0 Fail: 0 Eof: 1 Good: 0

示例4：

通过rdstate()进行特定标志位测试：

if (!(iosObject.rdstate() & ios::failbit))
{
    // last operation didn't fail
}

if (iosObject.rdstate() == ios::goodbit) // 由于goodbit值是0，所以不能用与运算判断，只能进行等值判断
{
    // state is `good'
}

将流转换成bool值¶

流可以用在需要逻辑值的表达式中：

if (cin)                // cin itself interpreted as bool
if (cin >> x)           // cin interpreted as bool after an extraction
if (getline(cin, str))  // getline returning cin

当将流解释为逻辑值时候，实际上会被解释成not fail()，因此上面例子等价于：

if (not cin.fail())
if (not (cin >> x).fail())
if (not getline(cin, str).fail())

字符串转整数演示位状态判断¶

未进行任何检查版本带检查的版本1带检查的版本2带检查的版本3：使用短路求值(short circuiting)优化代码

#include <iostream>
#include <sstream>
using namespace std;

int stringToInteger(const string& str);
int main() {
        cout << stringToInteger("123") << endl; // 输出123
        cout << stringToInteger("123a") << endl; // 输出123
        cout << stringToInteger("a123") << endl; // 输出0
}

int stringToInteger(const string& str) {
        int result;
        istringstream iss(str);
        iss >> result; // 一直读取数字字符串，直到遇到非数字的字符串
        return result;
}

#include <iostream>
#include <sstream>
#include <stdexcept>
using namespace std;

int stringToInteger(const string& str);
int main() {
        cout << stringToInteger("123") << endl; // 输出123
        cout << stringToInteger("123a") << endl; // 输出123
        cout << stringToInteger("a123") << endl; // 抛出异常
}


int stringToInteger(const string& str) {
        int result;
        istringstream iss(str);
        iss >> result;
        if (iss.fail()) throw domain_error("invalid string");
        return result;
}

可以看到它能检查一开始不是数字的字符串，但对于123a这种后面包含非数字的字符串，无能为力。

#include <iostream>
#include <sstream>
#include <stdexcept>

using namespace std;

int stringToInteger(const string& str);
int main() {
        cout << stringToInteger("123") << endl;
        cout << stringToInteger("123a") << endl;
        cout << stringToInteger("a123") << endl;
}

int stringToInteger(const string& str) {
        int result;
        istringstream iss(str);
        iss >> result;
        if (iss.fail()) throw domain_error("invalid string");

        char remain;
        iss >> remain; // 判断后面还有没有字符可读，如果有则说明字符串非法
        if (!iss.fail()) throw domain_error("invalid string");
        return result;
}

其中 if(!iss.fail()) 等效于 if((iss>>remain))

#include <iostream>
#include <sstream>
#include <stdexcept>

using namespace std;

int stringToInteger(const string& str);
int main() {
        cout << stringToInteger("123") << endl;
        cout << stringToInteger("123a") << endl;
        cout << stringToInteger("a123") << endl;
}

int stringToInteger(const string& str) {
        int result;
        istringstream iss(str);
        char remain;
        if (!(iss>>result) || iss>>remain) throw domain_error("invalid string");

        return result;
}

格式化输出¶

格式修改成员函数¶

ios &ios::copyfmt(ios &obj):

将obj 的所有格式标志都将复制到当前 ios 对象，并返回当前的 ios 对象。
ios::fill() const:

返回当前填充字符，默认是空白字符
char ios::fill(char padding):

重新定义填充字符，并返回重新定义之前使用的填充字符。
```
cout.fill('0'); 用'0'作填充符
cout << setfill('+'); 用'+'作填充符
```

ios::fmtflags ios::flags() const:

返回当前流的格式的标志值

if (cout.flags() & ios::hex)
    cout << "Integral values are printed as hex numbers\n"

ios::fmtflags ios::flags(ios::fmtflags flagset):

使用flagset设置新的标志值，并返回之前的标志值。
```
// change the representation to hexadecimal
cout.flags(ios::hex | cout.flags() & ~ios::dec);
```
int ios::precision() const:

返回浮点数的精度值，默认是6位。

int ios::precision(int signif):

设置浮点数的精度值，并返回之前的精度值。

cout.precision(3);          // 3 digits precision
cout << setprecision(3);    // same, using the manipulator

cout << 1.23 << " " << 12.3 << " " << 123.12 << " " << 1234.3 << '\n';
// displays: 1.23 12.3 123 1.23e+03

ios::fmtflags ios::setf(ios::fmtflags flags):

设置一个或多个格式标志（使用 bitor 运算符组合多个标志），并返回前一组设置值，已设置的标志不受影响。

ios::fmtflags ios::setf(ios::fmtflags flags, ios::fmtflags mask):

清除 mask 对应的所有标志并设置 flags 中指定的标志，并返回前一组标志。

// left-adjust information in wide fields: 左对齐显示
cout.setf(ios::left, ios::adjustfield);

// display integral values as hexadecimal numbers:
// 以16进制形式显示整数类型
cout.setf(ios::hex, ios::basefield);

// display floating point values in scientific notation:
// 以科学技术法形式显示浮点数
cout.setf(ios::scientific, ios::floatfield);

- ios::fmtflags ios::unsetf(fmtflags flags):

清除flags指定的标志，并返回之前的标志

cout << 12.24;              // displays  12.24
cout.setf(ios::fixed);
cout << 12.24;              // displays  12.240000
cout.unsetf(ios::fixed);    // undo a previous ios::fixed setting.
cout << 12.24;              // displays  12.24
cout << resetiosflags(ios::fixed);  // using manipulator rather
                                    // than unsetf

int ios::width() const:

返回字符宽度，默认是0。

int ios::width(int nchars):

设置字符宽度，每次输入操作之后，会重置为0。

cout.width(5);
cout << 12;   // 输出'     12'，12前面有3个空字符，字符宽度是5，需减去12本身暂用的2个宽度
cout << setw(12) << "hello";    // 输出'     hello'，hello前面有7个空格

每次都endl，还是每次都\n，然后最后flush?¶

// g++ -std=c++11 example.cpp
// 下面代码中默认用到auto，是c++11开始支持的特性，需要指定c++版本不低于c++11，这里使用c++11
#include <chrono>
#include <iostream>
#include <sstream>
using namespace std;

int endlEachTime();
int endlAtEnd();

int main() {
  int a = endlEachTime();
  int b = endlAtEnd();
  cout << "endl each time: " << a << endl;
  cout << "endl at end: " << b << endl;
}

// Prints the first 100 integers including an endl at the end of each line
// Returns the duration it took.
// Optional topic covered at end of lecture.
int endlEachTime() {
  auto startMove =
      std::chrono::high_resolution_clock::now();  // records start time

  for (int i = 0; i < 10000; ++i) {
    cout << i << endl;
  }

  auto stopMove =
      std::chrono::high_resolution_clock::now();  // records end time
  // don't worry too much about this syntax, you can google it easily
  // in fact, that's exactly what I did
  auto moveDuration = std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(
      stopMove - startMove);
  return moveDuration.count();
}

// Prints the first 100 integers including only a newline character after each
// line Returns the duration it took. Optional topic covered at end of lecture
int endlAtEnd() {
  auto startMove = std::chrono::high_resolution_clock::now();

  for (int i = 0; i < 10000; ++i) {
    cout << i << '\n';
  }
  cout << flush;

  auto stopMove = std::chrono::high_resolution_clock::now();
  auto moveDuration = std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(
      stopMove - startMove);
  return moveDuration.count();
}

通过测试可以发现第二个性能会更好。

类型与流的高级操作¶

从一个欢迎程序说起¶

不好的示例：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

void badWelcomeProgram() {
  string name, response;
  int age;

  cout << "What is your name? ";  // sidenote: no flush needed! why?
  cin >> name;

  cout << "What is your age? ";
  cin >> age;

  cout << "Hello " << name << " (age " << age << ")" << '\n';

#ifdef CLEAN_CIN_STATE
  cin.clear();
#endif
  cout << "Do you want to try again? ";
  cin >> response;

  cout << "You said: " << response << endl;
}

int main() { badWelcomeProgram(); }

测试：

make badWelcomeParam
echo "jimmy\n20\nno" | ./badWelcomeParam
echo "san zhang\n30\nno" | ./badWelcomeParam

上面测试内容输出如下：

What is your name? What is your age? Hello jimmy (age 20)
Do you want to try again? You said: no
What is your name? What is your age? Hello san (age 0)
Do you want to try again? You said:

可以看到第二次测试输出异常了，由于age读取失败，后面的cin >> response也会失败，因此此时cin的状态早已经是fail状态了（When cin fails, all future cin operations fail too.）。此时可以在cin >> response之前添加cin.clear()清除掉之前错误状态(当然程序最终结果也还是错误的)。

export CLEAN_CIN_STATE=on &&  make badWelcomeParam
echo "san zhang\n30\nno" | ./badWelcomeParam

这次输出：

What is your name? What is your age? Hello san (age 0)
Do you want to try again? You said: zhang

优化处理：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int getInteger(const string& prompt);
void optimizeWelcomeProgram() {
  string name, response;
  int age;

  cout << "What is your name? ";
  getline(cin,
          name);  // 解决了姓名中间有空格情况时候，cin >> name只读取前一半的问题
  age = getInteger("What is your name? ");
  cout << "Hello " << name << " (age " << age << ")" << '\n';

  cout << "Do you want to try again? ";
  cin >> response;

  cout << "You said: " << response << endl;
}

int main() { optimizeWelcomeProgram(); }

getInteger() 优化记录：

版本1版本2版本3最终版本

int getInteger(const string& prompt) {
    cout << prompt;
    int result;
    cin >> result; // 对于输入类似"abc"的情况，最终读取到的是0，这个结果错误的。
    // 对于输入类似"123 abc"的情况，最终读取到的是123，这个结果也是错误的
    return result;
}

int getInteger(const string& prompt) {
    cout << prompt;
    string token;
    cin >> token; // 对于输入类似"abc 123"的情况，最终读取到的是123，这个结果错误的。
    istringstream iss(token);
    int result; char trash;
    if (!(iss >> result) || iss >> trash)
        return getInteger(prompt); // 迭代性能不好
    return result;
}

int getInteger(const string& prompt) { // 符合预期目的
    while (true) {
        cout << prompt;
        string line;
        if (!getline(cin, line)) // 同时调用getInteger时候，会发生错误
            throw domain_error("getInteger: end of file reached");

        istringstream iss(line);
        int result; char trash;
        if (iss >> result && !(iss >> trash))
            return result;
    }
}

与版本3 相比，添加了默认参数，并且将错误信息进行了封装。

int getInteger(const string& prompt = "[shortened]",
    const string& reprompt = "[shortened]") {
    while (true) {
        cout << prompt;
        string line; int result; char trash;
        if (!getline(cin, line))
        throw domain_error("[shortened]");
        istringstream iss(line);
        if (iss >> result && !(iss >> trash)) return result;
        cout << reprompt << endl;
    }
}

小心处理 >> 和 getline 混合的情况¶

>> 运算符用于提取特定类型的下一个变量，会跳过最开始的空白字符后一直读取直到遇到下一个空白（这个空白不会跳过）
getline() 函数用于读取一行，直到遇到换行符，包括换行符，返回的内容中会去掉换行符。

有问题的示例：

#include <iostream>
#include <sstream>

using namespace std;
int main() {
  istringstream iss("16.9\n 24");
  double amount;
  iss >> amount;  // amount = 16.9，此时内布置指针指向\n的位置
  string line;
  getline(iss,
          line);  // line =""
  // getline读取时候会一直读取到\n位置(会消耗掉\n，但返回内容里面会把\n去掉)或者遇到eof。
  cout << "acount=" << amount << "\tline=" << line << endl;
  return 0;
}

优化后的示例：

#include <iostream>
#include <sstream>

using namespace std;
int main() {
  istringstream iss("  16.9\n 24");
  double amount;
  iss >> amount;  // amount = 16.9，此时内布置指针指向\n的位置
  iss.ignore();  // 忽略掉一个字符串，好跳过\n。或者使用getline(iss, line)
                 // 进行跳过
  string line;
  getline(iss, line);  // line =" 24"
  cout << "acount=" << amount << "\tline=" << line << endl;
  return 0;
}

现代数据类型¶

字符串长度类型应该是 size_t类型。

#include <iostream>
#include <sstream>

using namespace std;

int main() {
  string str = "hello, world";
  /*
  for (int i = 0; i < str.size(); i++) {    //
  i应该是size_t，无符号类型，否则会报错 cout << str[i] << endl;
  }
  */

  for (size_t i = 0; i < str.size(); i++) {
    cout << str[i] << endl;
  }
  return 0;
}

当使用 size_t 类型时候，需要注意溢出情况，下面去掉头尾字符的函数示例演示了这个错误：

string chopBothEnds(const string& str) {
    string result = "";
    for (size_t i = 1; i < str.size()-1; ++i) {
        result += str[i];
    }
    return result;
}

当 str 为空字符串时候，str.size() -1 值-1，而 i 为 size_t 类型，是无符号类型的，那么 str.size() -1 最后转换成 uint 类型最大值了。

类型别名¶

什么时候使用类型别名(type alias)：

当类型名称太长，使用更短的别名可以使代码更易读
在库中，每个类都有自己的类型名称。例如：
- vector::iterator, map::iterator, string::iterator
- vector::reference, map::reference, string::reference

using map_iterator = std::unordered_map<forward_list<Student>, unordered_set>::const_iterator;

map_iterator begin = studentMap.cbegin();
map_iterator end = studentMap.cend();

当我们不关心具体类型时候，可以使用 auto 关键字：

auto begin = studentMap.cbegin();
auto end = studentMap.cend();

在 C++ 中，auto 关键字用于自动推导变量的类型。当你使用 auto 声明一个变量时，编译器会根据初始化表达式的类型来确定变量的类型。更多 auto 用法可以参考：

auto calculateSum(const vector<string>& v) {
    auto multiplier = 2.4; // double
    auto name = "Avery"; // char* (c-string)
    auto betterName1 = string{"Avery“}; // string
    const auto& betterName2 = string{"Avery“}; // const string&
    auto copy = v; // vector<string>
    auto& refMult = multiplier; // double&
    auto func = [](auto i) {return i*2;}; // ???
    return betterName;
}

auto 有一个特性，它会丢弃表达式中的 const 和引用（reference）修饰符。

int someInt = 5;
const int& ref = someInt;
auto a = ref; // a 的类型是 int，而不是 const int&

因为 auto 会丢弃引用和 const 修饰符，a将会被推导位 int 类型，并且它的值会被初始化为 ref引用的值，所以它的值是 5。

解决办法是使用 auto&:

const int& ref = someInt;
auto& a = ref; // a 的类型是 const int&

pair/tuple¶

// make_pair/tuple (C++11) automatically deduces the type!
auto prices = make_pair(3.4, 5); // pair<double, int>
auto values = make_tuple(3, 4, "hi"); // tuple<int, int, char*>

// access via get/set
prices.first = prices.second; // prices = {5.0, 5};
get<0>(values) = get<1>(values); // values = {4, 4, "hi"};

// structured binding (C++17) – extract each component
auto [a, b] = prices; // a, b are copies of 5.0 and 5
const auto& [x, y, z] = values; // x, y, z are const references
// to the 4, 4, and "hi".

struct¶

struct Discount {
    double discountFactor;
    int expirationDate;
    string nameOfDiscount;
}; // don’t forget this semicolon :/

// Call to Discount’s constructor or initializer list
auto coupon1 = Discount{0.9, 30, "New Years"};
Discount coupon2 = {0.75, 7, "Valentine’s Day"};
coupon1.discountFactor = 0.8;
coupon2.expirationDate = coupon1.expirationDate;

// structured binding (C++17) – extract each component
auto [factor, date, name] = coupon1;

引用¶

string tea = "Ito-En";
string copy = tea;
string& ref = tea;

// note: the string operator [] returns a reference to a char in string
tea[1] = 'a'; // tea = "Iao-En";
copy[2] = 'b'; // tea = "Iao-En"; (no change)
ref[3] = 'c'; // tea = "IaocEn";

char letterCopy = tea[4];
char& letterRef = tea[5];

letterCopy = 'd'; // tea = "IaocEn"; (no change)
letterRef = 'e'; // tea = "IaocEe";
ref = copy; // tea = "Iab-En"; cannot reassign referenc

悬挂引用¶

悬挂引用(dangling references)指的是在一个作用域结束后，引用对象仍然存在的情况。never return references to local variables!

char& firstCharBad(string& s) {
    string local = s;
    return local[0];
}

char& firstCharGood(string& s) {
    return s[0];
}

int main() {
    string tea = "Ito-En";
    char& bad = firstCharBad(tea); // undefined, ref to local out of scope
    char& good = firstCharGood(tea); // good ref to tea[0]
}

类型转换¶

类型转换有两种方向：

隐式转换(类型提升)：编译器自动转换，例如：int -> double
显式转换(强制转换)：需要显示的转换，例如：doule -> int

在 C++ 中，我们可以通过三种主要方式使用显式转换：

C++ named casts C++: 命名强制转换
C-style type casting (also known as cast notation) : C 样式类型转换（也称为转换表示法）
```
(data_type)expression;
```
Function notation (also known as old C++ style type casting): 函数表示法（也称为旧 C++ 样式类型转换）
```
data_type(expression);
```

int v1 = static_cast<double>(3.4);// explicit cast(coercion): double ==> int
double v2 = 6; // implicit cast(promotion): int ==> double

const int v1 = 3; // implicit cast(promotion): int ==> const int
int v2 = const_cast<int>(v1); // explicit cast(coercion): const int ==> int

相比旧式 (type)(value) 的强制转换，static_cast 可以检查转换的类型是否安全。

命名强制转换¶

C++ 有四个用于显式类型转换的表达式。它们被称为 C++ 命名强制转换。命名强制转换是认为是 C++ 中更安全可靠的类型转换方法。它们是：

static_cast
dynamic_cast
const_cast
reinterpret_cast

static_cast¶

我们使用 static_cast 进行标准类型转换，例如从 float 转换为 int。

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  float my_float = 3.14;

  // convert float to int
  int my_int = static_cast<int>(my_float);
  cout << "Float: " << my_float << " -> Int: " << my_int << endl;
  return 0;
}

dynamic_cast¶

dynamic_cast 主要用于进行多态类型转换，尤其是在处理继承层次结构时。它通常用于需要将基类指针转换为派生类指针的方案。

#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
 public:
  // base class print function
  virtual void print() { cout << "Base class" << endl; }
};

class Derived : public Base {
 public:
  // derived class print function overriding the base class
  void print() override { cout << "Derived class" << endl; }
};

int main() {
  // create a Base class pointer
  // pointing to a Derived object
  Base *base_ptr = new Derived();

  // use dynamic_cast to cast the
  // Base pointer to a Derived pointer
  Derived *derived_ptr = dynamic_cast<Derived *>(base_ptr);

  // call the print function through the derived pointer
  if (derived_ptr) {
    derived_ptr->print();
  }

  // delete the dynamically allocated object
  // delete base_ptr;
  return 0;
}

const_cast¶

const_cast 用于从变量中转换 const 限定符。我们可以使用 const_cast 的一种常见情况是，当使用第三方库时，这些库的函数将非 const 指针作为参数，但我们需要传入 const 数据。

#include <iostream>
using namespace std;

// function that takes a non-const pointer
void modify_data(int* data) {
  // modify the data
  *data *= 2;
}

int main() {
  int x = 10;

  // a const pointer for variable x
  const int* ptr = &x;

  // use const_cast to
  // remove const qualifier and allow modification
  int* mutable_ptr = const_cast<int*>(ptr);

  // call the function
  modify_data(mutable_ptr);

  // value is modified successfully
  cout << "Modified value: " << x << endl;
  return 0;
}

reinterpret_cast¶

reinterpret_cast 用于将一种指针类型转换为另一种指针类型，或将一种引用类型转换为另一种引用类型。

与 static_cast 不同，reinterpret_cast 实际上并不转换数据类型，而是在编译时将一种指针类型重新解释为另一种指针类型。

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  // create an integer variable
  int x = 67;

  // pointer to an integer
  int* ptr_to_int = &x;

  // reinterpret the pointer to an integer
  // as a pointer to char
  char* ptr_to_char = reinterpret_cast<char*>(ptr_to_int);
  // dereference the double pointer
  // originally holding an integer as if it contains a double
  cout << "Dereferencing ptr_to_char: " << *ptr_to_char << endl;

  return 0;
}

警告： reinterpret_cast 允许进行几乎任何指针或整数类型转换，而无需进行任何类型安全检查。这可能会导致未定义的行为。因此，应谨慎使用 reinterpret_cast。

统一初始化¶

C++11 引入了统一初始化(Uniform initialization)，使得初始化更简单，例如：

struct Course {
string code;
Time start, end;
vector<string> instructors;
}

int main() {
    vector<int> vec{3, 1, 4, 1, 5, 9};
    Course now {"CS106L",
    {13, 30}, {14, 30},
    {"Wang", "Zeng"} };
}

所有内容都在一个例子中：

pair<int, int> findPriceRange(int dist) {
    int min = static_cast<int>(dist * 0.08 + 100);
    int max = static_cast<int>(dist * 0.36 + 750);
    return {min, max}; // uniform initialization
}

int main() {
    int dist = 6452;
    auto [min, max] = findPriceRange(dist);
    cout << "You can find prices between: " << min << " and " << max;
}

序列容器¶

C++是一门 多范式编程语言(multi-paradigm language)，可以进行 过程式编程(procedural programming)、面向对象编程(object-oriented programming) 和 泛型编程(generic programming)。C++的泛型编程是通过模板技术来实现的。

C++提供了一个标准模板库，称为 STL(Standard Template Library)，它提供了一系列的模板，用来实现各种数据结构。

STL 提供的主要容器有：

序列容器（Sequence Containers）：这些容器支持通过索引访问元素，并且可以动态地增加或减少大小。
- vector：动态数组，提供快速随机访问。
- deque：双端队列，允许在两端快速插入和删除。
- list：双向链表，提供在列表中间快速插入和删除的能力。
- forward_list：单向链表，只允许在头部或通过迭代器插入和删除。
- array：固定大小的数组。
关联容器（Associative Containers）：这些容器通过键来存储元素，并且通常使用平衡树或哈希表来实现。
- set：不允许重复的元素集合。
- multiset：允许重复元素的集合。
- map：键值对集合，不允许键重复。
- multimap：允许键重复的键值对集合。
- unordered_set：基于哈希表的不允许重复元素的集合。
- unordered_multiset：基于哈希表的允许重复元素的集合。
- unordered_map：基于哈希表的键值对集合。
- unordered_multimap：基于哈希表的允许键重复的键值对集合。
容器适配器（Container Adapters）：这些是更简单的容器，它们使用其他容器来实现。
- stack：后进先出（LIFO）栈。
- queue：先进先出（FIFO）队列。
- priority_queue：优先队列，元素根据优先级排序。

vector可以存放着各种类型的元素，例如：

std::vector<int> vecInt;
std::vector<string> vecStr;
std::vector<myStruct> vectStruct;
std::vector<std::vector<string>> vecOfVec;

向量¶

向量(vector)是C++ 标准模板库的一部分。要使用向量，我们需要在程序中包含vector头文件。

#include <vector>

向量声明¶

包含头文件后，我们可以通过以下方式在 C++ 中声明向量：

std::vector<T> vector_name;

类型参数指定向量的类型。它可以是任何原始数据类型，例如int 、 char 、 float等。例如，

向量初始化¶

方法一：

通过直接向向量提供值来初始化向量。

// Initializer list
vector<int> vector1 = {1, 2, 3, 4, 5};

// Uniform initialization
vector<int> vector2 {1, 2, 3, 4, 5};

方法二：

通过复制初始化（也称为值初始化）进行初始化向量。

vector<int> vector3(5, 12);

上面代码中5是向量的大小， 12是值。此处代码创建一个大小为5 的int向量，并使用值12初始化该向量。所以，向量相当于：

vector<int> vector3 = {12, 12, 12, 12, 12};

向量基本操作¶

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;
int main() {
  vector<int> v{1};
  for (size_t i = 0; i < v.size(); i++) {  // 访问所有元素
    cout << v[i] << " ";                   // 输出：1
  }
  cout << endl;

  v.push_back(2);          // 将元素插入向量的末尾
  v.insert(v.begin(), 0);  // 将元素插入向量的头部

  for (int i : v) {
    cout << i << " ";  // 输出：0 1 2
  }
  cout << endl;

  cout << v.at(0) << endl;  // 访问索引为 0 的元素
  cout << v[5] << endl;     // []形式访问越界，会返回垃圾值
  try {
    cout << v.at(5) << endl;  // at 越界会抛出异常
  } catch (out_of_range &e) {
    cout << e.what() << " out of range" << endl;
  }

  v[1] = 100;
  cout << "v[1] = " << v[1] << endl;  // 输出：v[1] = 100
  v.pop_back();                       // 删除最后一个元素
  for (int i : v) {
    cout << i << " ";  // 输出：0 100
  }
  cout << endl;
  return 0;
}

向量函数：

函数	描述
size()	返回向量中存在的元素数量
clear()	删除向量的所有元素
front()	返回向量的第一个元素
back()	返回向量的最后一个元素
empty()	如果向量为空，则返回1 (true)
capacity()	检查向量的总体大小

更多操作见：cplusplus vecotr Reference

迭代器¶

向量迭代器用于指向向量元素的内存地址。在某些方面，它们的作用类似于 C++ 中的指针。我们可以使用以下语法创建向量迭代器：

vector<T>::iterator iteratorName;

例如，如果我们有2 个int和double类型的向量，那么我们将需要2 个与它们的类型相对应的不同迭代器：

// iterator for int vector
vector<int>::iterator iter1;

// iterator for double vector
vector<double>::iterator iter2;

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;
int main() {
  vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};

  for (auto it = v.begin(); it != v.end(); ++it) {
    std::cout << *it << " ";  // 通过迭代去访问向量元素 输出：1 2 3 4 5
  }
  std::cout << std::endl;

  vector<int>::iterator iter;

  iter = v.begin();                    // 访问向量的第一个元素
  cout << "v[0] = " << *iter << endl;  // 输出： 1
  iter = v.end() - 1;                  // 访问向量的最后一个元素

  cout << "v[" << v.size() - 1 << "] = " << *iter
       << endl;  // 输出： 5，等同于 v.back()

  for (auto it = v.begin(); it != v.end(); ++it) {
    *it = *it * *it;
  }

  for (auto it = v.cbegin(); it != v.cend(); ++it) {  // const_iterator
    std::cout << *it << " ";                          // 输出：1 4 9 16 25
  }
  std::cout << endl;
  return 0;
}

数组¶

std::array是在标头中定义的，因此我们必须先包含此标头，然后才能使用std::array 。

#include <array>

// declaration of std::array 
std::array<T, N> array_name;

T：要存储的元素类型
N：数组中的元素数量

数组初始化¶

方法一：

// initializer list
std::array<int, 5> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};

方法二：

// uniform initialization
std::array<int, 5> marks {10, 20, 30, 40, 50};

数组基本操作¶

#include <array>
#include <iostream>

using namespace std;

int main() {
  array<int, 5> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
  for (const int num : numbers) {
    cout << num << " ";  // 输出：1 2 3 4 5
  }
  cout << endl;

  cout << "numbers[0] = " << numbers[0] << endl;  // 输出：1
  cout << "numbers[" << numbers.size() - 1 << "] = " << numbers.back()
       << endl;                              // 输出：5
  cout << "numbers[100] = " << numbers[100]  // 输出结果为止
       << endl;  // []访问时候不会进行越界检查
  try {
    cout << "numbers[100] = " << numbers.at(100)  // 会抛出异常
         << endl;  // at 访问时候会进行越界检查
  } catch (out_of_range& e) {
    cout << "Exception: " << e.what() << endl;
  }

  numbers[0] += 10;      // 修改数组元素
  numbers.at(0) += 100;  // 修改数组元素，会进行越界检查
  cout << "numbers[0] = " << numbers[0] << endl;  // 输出：111

  numbers.fill(500);  // 使用 500填充数组
  for (const int num : numbers) {
    cout << num << " ";  // 输出：500 500 500 500 500
  }
  cout << endl;
  return 0;
}

更多操作见：cplusplus array Reference

与 STL 算法组合使用¶

#include <array>
#include <iostream>
#include <numeric>

using namespace std;

int main() {
  array<int, 5> numbers = {15, 3, 30, 20, 15};

  cout << "数组元素(排序前)：";
  for (auto const i : numbers) {
    cout << i << " ";
  }
  cout << endl;
  // 排序
  sort(numbers.begin(), numbers.end());
  cout << "数组元素(排序后)：";
  for (auto const i : numbers) {
    cout << i << " ";
  }
  cout << endl;

  // 搜索
  auto fund = find(numbers.begin(), numbers.end(), 30);
  if (fund != numbers.end()) {
    cout << "找到30" << endl;
  } else {
    cout << "未找到30" << endl;
  }

  cout << "数组元素(反转后)：";
  reverse(numbers.begin(), numbers.end());
  for (auto const i : numbers) {
    cout << i << " ";
  }
  cout << endl;

  cout << "数组元素(去重后)：";

  // 首先确保容器是排序的(不论正序还是反序)，因为 std::unique 要求元素是排序的
  auto last = unique(
      numbers.begin(),
      numbers
          .end());  // std::unique
                    // 并不保证保留哪个重复的元素，它只是简单地将重复的元素移到容器的末尾
  for (auto it = numbers.begin(); it != last; ++it) {
    // 由于 std::array是不能动态改变大小的，所以只能打印去重后的结果
    cout << *it << " ";
  }
  cout << endl;

  int sum = accumulate(numbers.begin(), numbers.end(), 0);
  cout << "数组元素和：" << sum << endl;

  return 0;
}

列表¶

在C++中，STL列表实现了双向链表数据结构。因此，我们可以向前和向后迭代。要创建列表，我们需要在程序中包含list头文件。

#include <list>

std::list<T> list_name = {value1, value2, ...};

T：要存储的元素类型

列表初始化¶

// 通过初始化列表初始化
// create a list of integer type
std::list<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};

// create a list of character type
std::list<char> vowels = {'a', 'e', 'i', 'o', 'u'};

// 通过统一初始化形式初始化
std::list<int> numbers {1, 2, 3, 4, 5};

列表基本操作¶

#include <iostream>
#include <list>

using namespace std;

void printList(list<int> &numbers) {
  for (int n : numbers) {
    cout << n << " ";
  }
  cout << endl;
}
int main() {
  list<int> numbers{1, 2, 3, 4, 5};

  printList(numbers);  // 输出内容为：1 2 3 4 5

  numbers.push_front(
      0);  //  在列表开始地方追加一个元素，此时列表内容为： 0 1 2 3 4 5
  numbers.push_back(
      6);  // 在列表末尾追加一个元素，此时列表内容为：0 1 2 3 4 5 6
  cout << "Size: " << numbers.size() << endl;  // 7

  cout << "第一个元素：" << numbers.front() << endl;
  cout << "最后一个元素：" << numbers.back() << endl;

  numbers.pop_front();  // 删除第一个元素，此时列表内容为：1 2 3 4 5 6
  numbers.pop_back();  // 删除最后一个元素，此时列表内容为：1 2 3 4 5

  numbers.reverse();  // 反转列表，此时列表内容为：5 4 3 2 1
  printList(numbers);

  numbers.sort();  // 排序列表，此时列表内容为：1 2 3 4 5
  printList(numbers);

  list<int>::iterator iter = numbers.begin();
  cout << "第一个元素：" << *iter << endl;  // 输出第一个元素
  cout << "最后一个元素：" << *--numbers.end() << endl;

  for (int &i : numbers) {
    i *= i;
  }
  printList(numbers);  // 输出：1 4 9 16 25
  return 0;
}

双端队列¶

在C++中，STL deque是一个顺序容器，提供双端队列（double-ended queue）数据结构的功能。

在常规队列中，元素从后面添加，从前面删除。然而，在双端队列中，我们可以从front和back插入和删除元素。

为了在C++中创建双端队列，我们首先需要包含deque头文件。

#include <deque>

导入此文件后，我们可以使用以下语法创建deque ：

deque<T> dq;

双端队列初始化¶

// method 1: initializer list
deque<int> deque1 = {1, 2, 3, 4, 5};

// method 2: uniform initialization
deque<int> deque2 {1, 2, 3, 4, 5};

双端队列基本操作¶

#include <deque>
#include <iostream>

using namespace std;

void printDeque(deque<int> &dq) {
  for (auto it = dq.begin(); it != dq.end(); ++it) {
    cout << *it << " ";
  }
  cout << endl;
}
int main() {
  deque<int> dq{1, 2, 3, 4, 5};
  printDeque(dq);  // 输出：1 2 3 4 5

  cout << "第一个元素: " << dq.front() << endl;
  cout << "最后一个元素: " << dq.back() << endl;
  cout << "索引 0 处的元素: " << dq.at(0) << endl;  // 越界会抛出异常
  cout << "索引 0 处的元素: " << dq[0] << endl;     // 越界会返回垃圾值

  dq.at(2) *= dq.at(2);  // 更新索引 2 处的元素
  printDeque(dq);        // 输出：1 2 9 4 5

  dq.push_back(6);   // 尾部添加元素
  dq.push_front(0);  // 头部添加元素
  printDeque(dq);    // 输出：0 1 2 9 4 5 6

  deque<int>::iterator it = dq.begin();
  cout << "第二个元素：" << *(++it) << endl;

  it = dq.end() - 1;
  cout << "最后一个元素：" << *(it) << endl;
  return 0;
}

前向列表¶

C++ 前向列表(Forward List)是按严格线性顺序排序的序列容器，您可以在其中以恒定的时间效率添加或删除序列中的任何位置的元素。

转发表中的元素存储有关其下一个元素位置的信息。因此，与数组、向量等容器相比，它们在插入、移动和提取元素方面更加高效。

但是，前向列表不支持直接随机访问。

要创建转发列表，我们必须在代码中包含标头。

#include <forward_list>
std::forward_list<T> forward_list_name

前向列表基本操作¶

#include <forward_list>
#include <iostream>

using namespace std;

void printforwardList(forward_list<int>& fwd_list) {
  for (const int& element : fwd_list) {
    cout << element << " ";
  }
  cout << endl;
}
int main() {
  forward_list<int> flist = {1, 2, 3, 4, 5};
  printforwardList(flist);

  cout << "第一个元素：" << flist.front() << endl;
  flist.push_front(6);
  printforwardList(flist);  // 输出：6 1 2 3 4 5

  auto itr = flist.begin();
  for (; itr != flist.end(); itr++) {
    cout << *itr << " ";
  }
  cout << endl;

  itr = flist.begin();
  advance(itr, 3);             // 跳过前3个元素
  flist.insert_after(itr, 7);  // 在第四个元素后面插入元素 7
  printforwardList(flist);

  flist.assign({3, 1, 2, 3});  // 赋值替换
  printforwardList(flist);     // 输出：1 2 3

  flist.remove(3);  // 删除所有值为3的元素
  printforwardList(flist);

  flist.clear();            // 清空列表
  printforwardList(flist);  // 输出：
  return 0;
}

关联容器¶

集合¶

在 C++ 中，集合是保存唯一元素的关联容器。集合中的元素在内部按升序排序。集合中的元素是唯一的，并且不支持重复。

要在 C++ 中实现集合，我们必须在程序中包含头文件。

#include <set>

我们可以使用以下语法在 C++ 中创建一个集合：

// declare a set
std::set<data_type> set_name = {key1, key2, key3, ...};

集合的基本操作¶

#include <iostream>
#include <set>

using namespace std;
int main() {
  set<int> s = {1, 2, 3, 3, 4, 5};
  for (int v : s) {
    cout << v << " ";  // 输出：1 2 3 4 5
  }
  cout << endl;

  s.insert(6);  // 插入一个元素6

  if (s.count(6)) {  // 查询6是否在集合中
    cout << "6 is in the set" << endl;
  } else {
    cout << "6 not in set" << endl;
  }

  s.erase(5);  // 删除5
  for (int v : s) {
    cout << v << " ";  // 输出：1 2 3 4 6
  }
  cout << endl;
  return 0;
}

映射¶

在 C++ 中，映射是保存数据对的关联容器。这些对（称为键值对）具有唯一的键，而关联的值不必是唯一的。映射中的元素在内部按其键排序。

为了在 C++ 中使用映射，我们必须在程序中包含map头文件：

#include <map>

我们可以使用以下语法声明一个映射：

std::map<key_type, value_type> map_name = {{key1, value1},{key2, value2}, ...};

创建映射示例：

// create a map with integer keys and string values
std::map<int, string> student = {{1,"Jacqueline"}, {2,"Blake"}, {3,"Denise"}};

std::map<int, string> student {{1,"Jacqueline"}, {2,"Blake"}, {3,"Denise"}};

映射基本操作¶

#include <iostream>
#include <map>

using namespace std;
int main() {
  std::map<int, string> student;  // 创建一个map对象

  student[1] = "Jacqueline";  // 插入键值对
  student[2] = "Blake";

  student.insert(std::make_pair(3, "Denise"));  // 以 pair 形式插入键值对

  //  使用[] 访问元素
  for (size_t i = 1; i <= student.size(); ++i) {
    cout << "Student[" << i << "]: " << student[i] << endl;
  }

  // 使用迭代器遍历map
  for (auto iter = student.begin(); iter != student.end(); ++iter) {
    cout << "Student[" << iter->first << "]: " << iter->second << endl;
  }

  // 访问 key=1 的元素
  cout << "Student[1]: " << student.at(1) << endl;  // 如果不存在会抛出异常
  cout << "Student[1]: " << student[1] << endl;  // 如果不存在会返回垃圾值
  auto iter = student.find(1);
  cout << "Student[1]: " << iter->second << endl;

  student.erase(1);  // 删除 key=1 的元素
  for (size_t i = 1; i <= student.size(); ++i) {
    cout << "Student[" << i << "]: " << student[i] << endl;
  }

  for (iter = student.begin(); iter != student.end(); ++iter) {
    cout << iter->second << ", ";
    // 我们也可以通过解引用来访问元素, 如下
    // cout << (*iter).second << endl;
  }

  return 0;
}

容器适配器¶

队列¶

在C++中，STL queue提供了队列数据结构的功能。队列数据结构遵循FIFO（先进先出）原则，即先添加的元素将先被删除。

为了在C++中创建队列，我们首先需要包含queue头文件。

#include <queue>

导入此文件后，我们可以使用以下语法创建queue ：

queue<T> q;

队列基本操作¶

#include <iostream>
#include <queue>

using namespace std;

int main() {
  queue<string> animals;
  animals.push("Dog");  // 添加元素
  animals.push("Cat");

  cout << "队列内容：";
  while (!animals.empty()) {
    cout << animals.front() << ", ";  // 访问第一元素
    animals.pop();                    // 删除元素
  }
  cout << endl;

  cout << "队列大小：" << animals.size() << endl;  // 队列大小
  animals.push("Rabbit");
  animals.push("Lion");
  cout << "队列中最后一个元素：" << animals.back() << endl;  // 访问最后一个元素
  cout << "队列大小：" << animals.size() << endl;
  return 0;
}

注意：队列是没有迭代器的。

堆栈¶

STL stack提供了 C++ 中堆栈数据结构的功能。stack数据结构遵循LIFO（后进先出）原则。也就是说，最后添加的元素将首先被删除。

为了在C++中创建堆栈，我们首先需要包含stack头文件。

#include <stack>

导入此文件后，我们可以使用以下语法创建stack ：

stack<T> st;

堆栈基本操作¶

#include <iostream>
#include <stack>
using namespace std;

void printStack(stack<string> &s) {
  while (!s.empty()) {
    cout << s.top() << ", ";
    s.pop();
  }
}
int main() {
  stack<string> languages;
  languages.push("C++");
  languages.push("Java");
  languages.push("Python");
  cout << "Top element: " << languages.top() << endl;
  cout << "堆栈大小：" << languages.size() << endl;
  printStack(languages);
  return 0;
}

优先级队列¶

在C++中， priority_queue提供了优先级队列数据结构的功能。优先级队列是一种特殊类型的队列，其中每个元素都与一个优先级值关联，并且根据元素的优先级提供服务。

为了在C++中创建优先级队列，我们首先需要包含queue头文件。导入此文件后，我们可以使用以下语法创建一个priority_queue:

#include <queue>

priority_queue<T> pq;

注意：默认情况下， priority_queue给予最大的元素最高优先级。

优先级队列基本操作¶

#include <iostream>
#include <queue>

using namespace std;
int main() {
  priority_queue<int> pq;
  pq.push(1);  // 添加元素
  pq.push(10);
  pq.push(100);

  cout << "队列大小：" << pq.size() << endl;
  cout << "队列是否为空：" << pq.empty() << endl;
  while (
      !pq.empty()) {  // 打印其顶部，然后在循环内重复弹出该元素，直到队列为空。
    cout << pq.top() << endl;  // 输出最大元素
    pq.pop();                  // 删除最大元素
  }

  cout << "队列大小：" << pq.size() << endl;
  cout << "队列是否为空：" << pq.empty() << endl;
  return 0;
}

最小堆优先级队列¶

我们还可以创建一个最小堆优先级队列（min-heap priority_queue），以升序排列元素。其语法为：

priority_queue<T, vector<T>, greater<T>> pq;

示例：

#include <iostream>
#include <queue>
using namespace std;

int main() {
  // create a priority queue of int
  // arranges elements in ascending order
  priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> numbers;

  // add items to priority_queue
  numbers.push(1);
  numbers.push(20);
  numbers.push(7);

  // print element with highest priority
  cout << "Top element: " << numbers.top() << endl;
  return 0;
}

迭代器¶

迭代器是一个类似指针的对象，表示元素在容器中的位置。它用于迭代容器中的元素。

我们可以使用以下语法定义迭代器：

// create a vector iterator
vector<int>::iterator vec_itr;

// create a map iterator
map<char, int>::iterator map_itr;

永远记住，我们不能将迭代器与数据类型不匹配的容器一起使用。例如:

// create vector of integer type
vector<int> num {1, 2, 3};

// Error: itr can only be used with integer vectors
vector<double>::iterator itr = num.begin();

我们可以在初始化期间使用auto关键字（C++ 11 及以上）来推断迭代器的类型。

vector<string>::iterator itr = languages.begin();
auto itr = languages.begin(); // 两者等效

迭代器基本操作¶

下表显示了可以在迭代器上执行的一些基本操作:

操作	描述
*itr	返回当前位置的元素
itr->m	返回迭代器指向的对象的成员值m ，相当于(*itr).m
++itr	将迭代器移动到下一个位置
-–itr	将迭代器移动到前一个位置
itr + i	将迭代器移动i位置
itr1 == itr2	如果迭代器指向的位置相同则返回true
itr1 != itr2	如果迭代器指向的位置不相同，则返回true
itr = itr1	将itr1指向的位置分配给itr迭代器

注意：并非上面列出的所有操作都可以在所有类型的迭代器上执行。

迭代器类型¶

C++ 标准模板库提供了五种类型的迭代器。他们是：

Input Iterator 输入迭代器
Output Iterator 输出迭代器
Forward Iterator 前向迭代器
Bidirectional Iterator 双向迭代器
Random-access-iterator 随机访问迭代器

输入迭代器¶

C++ 输入迭代器能够在向前迭代时读取/处理某些值。我们可以使用++向前迭代，并使用*读取值或使用->读取成员值。

从输入流读取值的迭代器是输入迭代器的一个示例。它可以创建为：

#include <iterator>
// create an input iterator to read values from cin
istream_iterator<int> input_itr(cin);

在这里，我们创建了一个名为input_itr的int类型的输入迭代器，它从标准输入流cin读取输入值。

输出迭代器¶

C++ 输出迭代器能够在向前迭代时写入一些值。我们可以使用++向前迭代并使用*写入值。 =运算符可用于写入值

将值写入输出流的迭代器是输出迭代器的一个示例。

// create an output iterator to write integers to the console
ostream_iterator<int> output_itr(cout, " ");

在这里，我们创建了一个名为output_itr的int类型的输出迭代器，它将值写入标准输入流cout 。

前向迭代器¶

C++ 正向迭代器能够在向前迭代时读取/写入一些值。比如forward_list类的迭代器是前向迭代器。

我们可以使用++向前迭代，使用*读写值，或者使用->读写成员值。

#include <forward_list>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  forward_list<int> nums{1, 2, 3, 4};

  // initialize an iterator to point
  // to beginning  of a forward list
  forward_list<int>::iterator itr = nums.begin();

  while (itr != nums.end()) {
    // access iterator value using indirection operator
    int original_value = *itr;

    // assign new value using indirection operator
    *itr = original_value * 2;

    // forward the iterator to next position
    itr++;
  }

  // display the contents of nums
  for (int num : nums) {
    cout << num << ", ";
  }

  return 0;
}

双向迭代器¶

C++ 双向迭代器能够向前和向后迭代。我们可以使用++向前迭代，使用--向后迭代，并使用*读写值或使用->读写成员值。

容器类list 、 set 、 multiset 、 map和multimap的迭代器是双向迭代器。

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;

int main() {
  list<int> nums{1, 2, 3, 4, 5};

  // initialize iterator to point to beginning of nums
  list<int>::iterator itr = nums.begin();

  cout << "Moving forward: " << endl;

  // display the elements in forward order
  while (itr != nums.end()) {
    cout << *itr << ", ";

    //  move iterator by 1 position forward
    itr++;
  }

  cout << endl << "Moving backward: " << endl;

  // display the elements in backward order
  while (itr != nums.begin()) {
    if (itr != nums.end()) {
      cout << *itr << ", ";
    }

    //  move iterator by 1 position backward
    itr--;
  }
  cout << *itr << endl;
  return 0;
}

随机访问迭代器¶

C++ 随机访问迭代器具有双向迭代器的所有属性以及随机访问。

容器类vector 、 deque 、 array和字符串迭代器的迭代器是随机访问迭代器。

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
  // create a vector
  vector<int> vec{1, 2, 3, 4};

  // create iterators to point to the first and the last elements
  vector<int>::iterator itr_first = vec.begin();
  vector<int>::iterator itr_last = vec.end() - 1;

  // display the vector elements
  cout << "First Element: " << *itr_first << endl;
  cout << "Second Element: " << itr_first[1] << endl;

  cout << "Second Last Element: " << *(itr_last - 1) << endl;
  cout << "Last Element: " << *(itr_last) << endl;
  return 0;
}

迭代器支持的运算符¶

如前所述，并非所有运算符都与所有类型的迭代器兼容。可用于不同迭代器的运算符如下表所示。

迭代器类型	支持的运算符
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¶

算法是C++标准库提供的一组函数，用于在容器对象上执行各种操作。标准模板库（STL）提供了一组丰富的算法，可用于执行排序、搜索和操作容器元素（如数组、向量等）等操作。

我们可以使用 <algorithm> 文件头访问这些算法。

#include <algorithm>

常用算法¶

C++ 中的库提供了许多有用的函数。下面给出了一些最常用的函数。

函数	描述
sort()	对容器的元素进行排序
copy()	复制给定范围内的元素
move()	移动给定的元素范围
swap()	交换两个对象的值
merge()	合并排序范围
replace()	替换元素的值
remove()	删除元素

函子¶

C++ 函子（函数对象）是可以像函数一样调用的类或结构对象。它重载了函数调用调用符()(function-call operator) 并允许我们使用像函数一样的对象。

我们可以在 C++ 中创建一个函子，如下所示：

class Greet {
  public:
    void operator()() {
      // function body
    }
};

在这里，我们重载了函数调用符() 。这允许我们调用类对象，就好像它是一个函数一样，如下所示：

// create an instance of Greet
Greet greet;

// call the object as a function
greet();

注意：请记住在重载类的()运算符时需设置 public 访问说明符，因为默认情况下，类的成员是私有的。

简单的函子¶

#include <iostream>
using namespace std;

class Greet {
 public:
  // overload function call/parentheses operator
  void operator()() { cout << "Hello World!\n"; }
};

int main() {
  // create an object of Greet class
  Greet greet;

  // call the object as a function
  greet();
  return 0;
}

具有返回类型和参数的函子¶

#include <iostream>
using namespace std;

class Add {
 public:
  // overload function call operator
  // accept two integer arguments
  // return their sum
  int operator()(int a, int b) { return a + b; }
};

int main() {
  // create an object of Add class
  Add add;
  // call the add  object
  int sum = add(100, 78);
  cout << "100 + 78 = " << sum << endl;
  return 0;
}

具有成员变量的函子¶

#include <iostream>
using namespace std;

class Add_To_Sum {
 private:
  int initial_sum;

 public:
  // constructor to initialize member variable
  Add_To_Sum(int sum) { initial_sum = sum; }

  // overload function call operator
  int operator()(int num) { return initial_sum + num; }
};

int main() {
  // create object of Add_To_Sum class
  // initialize member variable of object with value 100
  Add_To_Sum add = Add_To_Sum(100);

  // call the add object with 78 as argument
  int final_sum = add(78);

  cout << "100 + 78 = " << final_sum << endl;
  return 0;
}

预定义函子¶

们可以通过包含函数头文件来使用标准库提供的预定义函子：

#include <functional>

C++ 为算术运算、关系运算和逻辑运算提供了以下库函子。

算术函子(Arithmetic Functors)¶

函子	描述
plus	返回两个参数的和
minus	返回两个参数的差值
multiplies	返回两个参数的乘积
divides	返回两个参数除法后的结果
modulus	返回两个参数除以后的余数
negate	返回参数的 negated 值

关系函子(Relational Functors)¶

函子	描述
equal_to	如果两个参数相等，则返回 true
not_equal_to	如果两个参数不相等，则返回 true
greater	如果第一个参数大于第二个参数，则返回 true
greater_equal	如果第一个参数大于或等于第二个参数，则返回 true
less	如果第一个参数小于第二个参数，则返回 true
less_equal	如果第一个参数小于或等于第二个参数，则返回 true

逻辑函子(Logical Functors)¶

函子	描述
logical_and	返回两个布尔值的 Logical AND 运算的结果
logical_or	返回两个布尔值的 Logical OR 运算的结果
logical_not	返回布尔值的 Logical NOT 运算的结果

位函子(Bitwise Functors)¶

函子	描述
bit_and	返回两个参数的按位 AND 运算结果
bit_or	返回两个参数的按位 OR 运算结果
bit_xor	返回两个参数的按位 XOR 运算结果

预定义函子示例¶

通常，函子与 C++ STL 一起使用，作为 STL 算法（如 sort、count_if、all_of 等）的参数。

在此示例中，我们将查看预定义的 C++ 函子 greater<T>()，其中 T 是具有 STL 算法排序的函子参数的类型。

#include <algorithm>
#include <functional>
#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

int main() {
  // initialize vector of int
  vector<int> nums = {1, 20, 3, 89, 2};

  // sort the vector in descending order
  sort(nums.begin(), nums.end(), greater<int>());

  for (auto num : nums) {
    cout << num << ", ";
  }
  cout << endl;
  return 0;
}

cs106L: C++标准库编程¶

简介¶

CS106L课程目标¶

C++语言历史¶

汇编¶

C语言的诞生(Invention of C )¶

C++语言的诞生¶

C++的设计哲学 Design Philosophy of C++¶

流 Streams¶

字符串流 stringstream¶

字符串流 stringstream 构造函数¶

字符串流格式的 I/O stringstream formatted i/o¶

字符串流根据空白字符分割token是怎么回事？¶

字符串流的位置相关函数¶

要点 Key Takeaways¶

状态位¶

状态位相关成员函数¶

将流转换成bool值¶

字符串转整数演示位状态判断¶

格式化输出¶

格式修改成员函数¶

每次都endl，还是每次都\n，然后最后flush?¶

类型 与 流的高级操作¶

从一个欢迎程序说起¶

小心处理 >> 和 getline 混合的情况¶

现代数据类型¶

类型别名¶

pair/tuple¶

struct¶

引用¶

悬挂引用¶

类型转换¶

命名强制转换¶

static_cast¶

dynamic_cast¶

const_cast¶

reinterpret_cast¶

统一初始化¶

序列容器¶

向量¶

向量声明¶

向量初始化¶

向量基本操作¶

迭代器¶

数组¶

数组初始化¶

数组基本操作¶

与 STL 算法组合使用¶

列表¶

列表初始化¶

列表基本操作¶

双端队列¶

双端队列初始化¶

双端队列基本操作¶

前向列表¶

前向列表基本操作¶

关联容器¶

集合¶

集合的基本操作¶

映射¶

映射基本操作¶

容器适配器¶

队列¶

队列基本操作¶

堆栈¶

堆栈基本操作¶

优先级队列¶

优先级队列基本操作¶

最小堆优先级队列¶

迭代器¶

迭代器基本操作¶

迭代器类型¶

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¶

迭代器支持的运算符¶

算法¶

常用算法¶

类型与流的高级操作¶