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sort: 9
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# 顺序容器

## 顺序容器概述

- **顺序容器**（sequential container）：为程序员提供了控制元素存储和访问顺序的能力。这种顺序不依赖于元素的值，而是与元素加入容器时的位置相对应。

### 顺序容器类型

| 容器类型       | 介绍                                                                          |
| -------------- | ----------------------------------------------------------------------------- |
| `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。在头尾位置插入/删除速度很快。                     |
| `list`         | 双向链表。只支持双向顺序访问。在`list`中任何位置进行插入/删除操作速度都很快。 |
| `forward_list` | 单向链表。只支持单向顺序访问。在链表任何位置进行插入/删除操作速度都很快。     |
| `array`        | 固定大小数组。支持快速随机访问。不能添加或者删除元素。                        |
| `string`       | 与`vector`相似的容器，但专门用于保存字符。随机访问块。在尾部插入/删除速度快。 |

- 除了固定大小的`array`外，其他容器都提供高效、灵活的内存管理。
- `forward_list`和`array`是新C++标准增加的类型。
- 通常使用`vector`是最好的选择，除非你有很好的理由选择其他容器。
- 新标准库的容器比旧版的快得多。

## 容器操作

### 类型

| 操作              | 解释                                               |
| ----------------- | -------------------------------------------------- |
| `iterator`        | 此容器类型的迭代器类型                             |
| `const_iterator`  | 可以读取元素但不能修改元素的迭代器类型             |
| `size_type`       | 无符号整数类型，足够保存此种容器类型最大可能的大小 |
| `difference_type` | 带符号整数类型，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；和`value_type &`含义相同           |
| `const_reference` | 元素的`const`左值类型，即`const value_type &`      |

### 构造函数

| 操作                      | 解释                                                                   |
| ------------------------- | ---------------------------------------------------------------------- |
| `C c;`                    | 默认构造函数，构造空容器                                               |
| `C c1(c2);`或`C c1 = c2;` | 构造`c2`的拷贝`c1`                                                     |
| `C c(b, e)`               | 构造`c`，将迭代器`b`和`e`指定范围内的所有元素拷贝到`c`                 |
| `C c(a, b, c...)`         | 列表初始化`c`                                                          |
| `C c(n)`                  | 只支持顺序容器，且不包括`array`，包含`n`个元素，这些元素进行了值初始化 |
| `C c(n, t)`               | 包含`n`个初始值为`t`的元素                                             |

- 只有顺序容器的构造函数才接受大小参数，关联容器并不支持。
- `array`具有固定大小。
- 和其他容器不同，默认构造的`array`是非空的。
- 直接复制：将一个容器复制给另一个容器时，类型必须匹配：容器类型和元素类型都必须相同。
- 使用迭代器复制：不要求容器类型相同，容器内的元素类型也可以不同。

### 赋值和`swap`

| 操作                | 解释                                                                           |
| ------------------- | ------------------------------------------------------------------------------ |
| `c1 = c2;`          | 将`c1`中的元素替换成`c2`中的元素                                               |
| `c1 = {a, b, c...}` | 将`c1`中的元素替换成列表中的元素（不适用于`array`）                            |
| `c1.swap(c2)`       | 交换`c1`和`c2`的元素                                                           |
| `swap(c1, c2)`      | 等价于`c1.swap(c2)`                                                            |
| `c.assign(b, e)`    | 将`c`中的元素替换成迭代器`b`和`e`表示范围中的元素，`b`和`e`不能指向`c`中的元素 |
| `c.assign(il)`      | 将`c`中的元素替换成初始化列表`il`中的元素                                      |
| `c.assign(n, r)`    | 将`c`中的元素替换为`n`个值是`t`的元素                                          |

- 使用非成员版本的`swap`是一个好习惯。
- `assign`操作不适用于关联容器和`array`

### 大小

| 操作           | 解释                                           |
| -------------- | ---------------------------------------------- |
| `c.size()`     | `c`中元素的数目（不支持`forward_list`）        |
| `c.max_size()` | `c`中可保存的最大元素数目                      |
| `c.empty()`    | 若`c`中存储了元素，返回`false`，否则返回`true` |

### 添加元素

| 操作                    | 解释                                                                                                 |
| ----------------------- | ---------------------------------------------------------------------------------------------------- |
| `c.push_back(t)`        | 在`c`尾部创建一个值为`t`的元素，返回`void`                                                           |
| `c.emplace_back(args)`  | 同上                                                                                                 |
| `c.push_front(t)`       | 在`c`头部创建一个值为`t`的元素，返回`void`                                                           |
| `c.emplace_front(args)` | 同上                                                                                                 |
| `c.insert(p, t)`        | 在迭代器`p`指向的元素之前创建一个值是`t`的元素，返回指向新元素的迭代器                               |
| `c.emplace(p, args)`    | 同上                                                                                                 |
| `c.insert(p, n, t)`     | 在迭代器`p`指向的元素之前插入`n`个值为`t`的元素，返回指向第一个新元素的迭代器；如果`n`是0，则返回`p` |
| `c.insert(p, b, e)`     | 将迭代器`b`和`e`范围内的元素，插入到`p`指向的元素之前；如果范围为空，则返回`p`                       |
| `c.insert(p, il)`       | `il`是一个花括号包围中的元素值列表，将其插入到`p`指向的元素之前；如果`il`是空，则返回`p`             |

- 因为这些操作会改变大小，因此不适用于`array`。
- `forward_list`有自己专有版本的`insert`和`emplace`。
- `forward_list`不支持`push_back`和`emplace_back`。
- 当我们用一个对象去初始化容器或者将对象插入到容器时，实际上放入的是对象的拷贝。
- `emplace`开头的函数是新标准引入的，这些操作是构造而不是拷贝元素。
- 传递给`emplace`的参数必须和元素类型的构造函数相匹配。

### 访问元素

| 操作        | 解释                                                                                     |
| ----------- | ---------------------------------------------------------------------------------------- |
| `c.back()`  | 返回`c`中尾元素的引用。若`c`为空，函数行为未定义                                         |
| `c.front()` | 返回`c`中头元素的引用。若`c`为空，函数行为未定义                                         |
| `c[n]`      | 返回`c`中下标是`n`的元素的引用，`n`时候一个无符号证书。若`n>=c.size()`，则函数行为未定义 |
| `c.at(n)`   | 返回下标为`n`的元素引用。如果下标越界，则抛出`out_of_range`异常                          |

- 访问成员函数返回的是引用。
- `at`和下标操作只适用于`string`、`vector`、`deque`、`array`。
- `back`不适用于`forward_list`。
- 如果希望下标是合法的，可以使用`at`函数。

### 删除元素

| 操作            | 解释                                                                                                                |
| --------------- | ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- |
| `c.pop_back()`  | 删除`c`中尾元素，若`c`为空，则函数行为未定义。函数返回`void`                                                        |
| `c.pop_front()` | 删除`c`中首元素，若`c`为空，则函数行为未定义。函数返回`void`                                                        |
| `c.erase(p)`    | 删除迭代器`p`指向的元素，返回一个指向被删除元素之后的元素的迭代器，若`p`本身是尾后迭代器，则函数行为未定义          |
| `c.erase(b, e)` | 删除迭代器`b`和`e`范围内的元素，返回指向最后一个被删元素之后元素的迭代器，若`e`本身就是尾后迭代器，则返回尾后迭代器 |
| `c.clear()`     | 删除`c`中所有元素，返回`void`                                                                                       |

- 会改变容器大小，不适用于`array`。
- `forward_list`有特殊版本的`erase`
- `forward_list`不支持`pop_back`
- `vector`和`string`不支持`pop_front`

### 特殊的forwad_list操作

- 链表在删除元素时需要修改前置节点的内容，双向链表会前驱的指针，但是单向链表没有保存，因此需要增加获取前置节点的方法。
- `forward_list`定义了`before_begin`，即首前（off-the-begining）迭代器，允许我们再在首元素之前添加或删除元素。

| 操作                        | 解释                                                                                                                              |
| --------------------------- | --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- |
| `lst.before_begin()`        | 返回指向链表首元素之前不存在的元素的迭代器，此迭代器不能解引用。                                                                  |
| `lst.cbefore_begin()`       | 同上，但是返回的是常量迭代器。                                                                                                    |
| `lst.insert_after(p, t)`    | 在迭代器`p`之后插入元素。`t`是一个对象                                                                                            |
| `lst.insert_after(p, n, t)` | 在迭代器`p`之后插入元素。`t`是一个对象，`n`是数量。若`n`是0则函数行为未定义                                                       |
| `lst.insert_after(p, b, e)` | 在迭代器`p`之后插入元素。由迭代器`b`和`e`指定范围。                                                                               |
| `lst.insert_after(p, il)`   | 在迭代器`p`之后插入元素。由`il`指定初始化列表。                                                                                   |
| `emplace_after(p, args)`    | 使用`args`在`p`之后的位置，创建一个元素，返回一个指向这个新元素的迭代器。若`p`为尾后迭代器，则函数行为未定义。                    |
| `lst.erase_after(p)`        | 删除`p`指向位置之后的元素，返回一个指向被删元素之后的元素的迭代器，若`p`指向`lst`的尾元素或者是一个尾后迭代器，则函数行为未定义。 |
| `lst.erase_after(b, e)`     | 类似上面，删除对象换成从`b`到`e`指定的范围。                                                                                      |

### 改变容器大小

| 操作             | 解释                                                                                                 |
| ---------------- | ---------------------------------------------------------------------------------------------------- |
| `c.resize(n)`    | 调整`c`的大小为`n`个元素，若`n<c.size()`，则多出的元素被丢弃。若必须添加新元素，对新元素进行值初始化 |
| `c.resize(n, t)` | 调整`c`的大小为`n`个元素，任何新添加的元素都初始化为值`t`                                            |

### 获取迭代器

| 操作                     | 解释                                        |
| ------------------------ | ------------------------------------------- |
| `c.begin()`, `c.end()`   | 返回指向`c`的首元素和尾元素之后位置的迭代器 |
| `c.cbegin()`, `c.cend()` | 返回`const_iterator`                        |

- 以`c`开头的版本是C++11新标准引入的
- 当不需要写访问时，应该使用`cbegin`和`cend`。

### 反向容器的额外成员

| 操作                       | 解释                                        |
| -------------------------- | ------------------------------------------- |
| `reverse_iterator`         | 按逆序寻址元素的迭代器                      |
| `const_reverse_iterator`   | 不能修改元素的逆序迭代器                    |
| `c.rbegin()`, `c.rend()`   | 返回指向`c`的尾元素和首元素之前位置的迭代器 |
| `c.crbegin()`, `c.crend()` | 返回`const_reverse_iterator`                |

- 不支持`forward_list`

### 迭代器

- 迭代器范围：`begin`到`end`，即第一个元素到最后一个元素的后面一个位置。
- 左闭合区间：`[begin, end)`
- 左闭合范围蕴含的编程设定：
  - 如果`begin`和`end`相等，则范围为空。
  - 如果二者不等，则范围至少包含一个元素，且`begin`指向该范围中的第一个元素。
  - 可以对`begin`递增若干次，使得`begin == end`。

### 容器操作可能使迭代器失效

- 在向容器添加元素后：
  - 如果容器是`vector`或`string`，且存储空间被重新分配，则指向容器的迭代器、指针、引用都会失效。
  - 对于`deque`，插入到除首尾位置之外的任何位置都会导致指向容器的迭代器、指针、引用失效。如果在首尾位置添加元素，迭代器会失效，但指向存在元素的引用和指针不会失效。
  - 对于`list`和`forward_list`，指向容器的迭代器、指针和引用依然有效。
- 在从一个容器中删除元素后：
  - 对于`list`和`forward_list`，指向容器其他位置的迭代器、引用和指针仍然有效。
  - 对于`deque`，如果在首尾之外的任何位置删除元素，那么指向被删除元素外其他元素的迭代器、指针、引用都会失效；如果是删除`deque`的尾元素，则尾后迭代器会失效，但其他不受影响；如果删除的是`deque`的头元素，这些也不会受影响。
  - 对于`vector`和`string`，指向被删元素之前的迭代器、引用、指针仍然有效。
  - 注意：当我们删除元素时，尾后迭代器总是会失效。
  - 注意：使用失效的迭代器、指针、引用是严重的运行时错误！
  - 建议：将要求迭代器必须保持有效的程序片段最小化。
  - 建议：不要保存`end`返回的迭代器。

### 容器内元素的类型约束

- 元素类型必须支持赋值运算；
- 元素类型的对象必须可以复制。
- 除了输入输出标准库类型外，其他所有标准库类型都是有效的容器元素类型。

## vector对象是如何增长的

`vector`和`string`在内存中是连续保存的，如果原先分配的内存位置已经使用完，则需要重新分配新空间，将已有元素从就位置移动到新空间中，然后添加新元素。

### 管理容量的成员函数

| 操作                | 解释                                          |
| ------------------- | --------------------------------------------- |
| `c.shrink_to_fit()` | 将`capacity()`减少到和`size()`相同大小        |
| `c.capacity()`      | 不重新分配内存空间的话，`c`可以保存多少个元素 |
| `c.reverse(n)`      | 分配至少能容纳`n`个元素的内存空间             |

- `shrink_to_fit`只适用于`vector`、`string`和`deque`
- `capacity`和`reverse`只适用于`vector`和`string`。

## 额外的string操作

### 构造string的其他方法

| 操作                       | 解释                                                                                         |
| -------------------------- | -------------------------------------------------------------------------------------------- |
| `string s(cp, n)`          | `s`是`cp`指向的数组中前`n`个字符的拷贝，此数组                                               |
| `string s(s2, pos2)`       | `s`是`string s2`从下标`pos2`开始的字符的拷贝。若`pos2 > s2.size()`，则构造函数的行为未定义。 |
| `string s(s2, pos2, len2)` | `s`是`string s2`从下标`pos2`开始的`len2`个字符的拷贝。                                       |

- `n`,`len2`,`pos2`都是无符号值。

### substr操作

| 操作               | 解释                                                                                                                                    |
| ------------------ | --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- |
| `s.substr(pos, n)` | 返回一个`string`，包含`s`中从`pos`开始的`n`个字符的拷贝。`pos`的默认值是0，`n`的默认值是`s.size() - pos`，即拷贝从`pos`开始的所有字符。 |

### 改变string的其他方法

| 操作                     | 解释                                                                                                                                            |
| ------------------------ | ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- |
| `s.insert(pos, args)`    | 在`pos`之前插入`args`指定的字符。`pos`可以使是下标或者迭代器。接受下标的版本返回指向`s`的引用；接受迭代器的版本返回指向第一个插入字符的迭代器。 |
| `s.erase(pos, len)`      | 删除从`pos`开始的`len`个字符，如果`len`被省略，则删除后面所有字符，返回指向`s`的引用。                                                          |
| `s.assign(args)`         | 将`s`中的字符替换成`args`指定的字符。返回一个指向`s`的引用。                                                                                    |
| `s.append(args)`         | 将`args`指定的字符追加到`s`，返回一个指向`s`的引用。                                                                                            |
| `s.replace(range, args)` | 删除`s`中范围`range`中的字符，替换成`args`指定的字符。返回一个指向`s`的引用。                                                                   |

### string搜索操作

- `string`类提供了6个不同的搜索函数，每个函数都有4个重载版本。
- 每个搜索操作都返回一个`string::size_type`值，表示匹配发生位置的下标。如果搜索失败则返回一个名为`string::npos`的`static`成员（类型是`string::size_type`，初始化值是-1，也就是`string`最大的可能大小）。

| 搜索操作                    | 解释                                              |
| --------------------------- | ------------------------------------------------- |
| `s.find(args)`              | 查找`s`中`args`第一次出现的位置                   |
| `s.rfind(args)`             | 查找`s`中`args`最后一次出现的位置                 |
| `s.find_first_of(args)`     | 在`s`中查找`args`中任何一个字符第一次出现的位置   |
| `s.find_last_of(args)`      | 在`s`中查找`args`中任何一个字符最后一次出现的位置 |
| `s.find_first_not_of(args)` | 在`s`中查找第一个不在`args`中的字符               |
| `s.find_first_not_of(args)` | 在`s`中查找最后一个不在`args`中的字符             |

args必须是一下的形式之一：

| `args`形式   | 解释                                                                          |
| ------------ | ----------------------------------------------------------------------------- |
| `c, pos`     | 从`s`中位置`pos`开始查找字符`c`。`pos`默认是0                                 |
| `s2, pos`    | 从`s`中位置`pos`开始查找字符串`s`。`pos`默认是0                               |
| `cp, pos`    | 从`s`中位置`pos`开始查找指针`cp`指向的以空字符结尾的C风格字符串。`pos`默认是0 |
| `cp, pos, n` | 从`s`中位置`pos`开始查找指针`cp`指向的前`n`个字符。`pos`和`n`无默认值。       |

### s.compare的几种参数形式

逻辑类似于C标准库的`strcmp`函数，根据`s`是等于、大于还是小于参数指定的字符串，`s.compare`返回0、正数或负数。

| 参数形式                 | 解释                                                              |
| ------------------------ | ----------------------------------------------------------------- |
| `s2`                     | 比较`s`和`s2`                                                     |
| `pos1, n1, s2`           | 比较`s`从`pos1`开始的`n1`个字符和`s2`                             |
| `pos1, n1, s2, pos2, n2` | 比较`s`从`pos1`开始的`n1`个字符和`s2`                             |
| `cp`                     | 比较`s`和`cp`指向的以空字符结尾的字符数组                         |
| `pos1, n1, cp`           | 比较`s`从`pos1`开始的`n1`个字符和`cp`指向的以空字符结尾的字符数组 |
| `pos1, n1, cp, n2`       | 比较`s`从`pos1`开始的`n1`个字符和`cp`指向的地址开始`n2`个字符     |

### string和数值转换

| 转换              | 解释                                                                                                                                                             |
| ----------------- | ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- |
| `to_string(val)`  | 一组重载函数，返回数值`val`的`string`表示。`val`可以使任何算术类型。对每个浮点类型和`int`或更大的整型，都有相应版本的`to_string()`。和往常一样，小整型会被提升。 |
| `stoi(s, p, b)`   | 返回`s`起始子串（表示整数内容）的数值，`p`是`s`中第一个非数值字符的下标，默认是0，`b`是转换所用的基数。返回`int`                                                 |
| `stol(s, p, b)`   | 返回`long`                                                                                                                                                       |
| `stoul(s, p, b)`  | 返回`unsigned long`                                                                                                                                              |
| `stoll(s, p, b)`  | 返回`long long`                                                                                                                                                  |
| `stoull(s, p, b)` | 返回`unsigned long long`                                                                                                                                         |
| `stof(s, p)`      | 返回`s`起始子串（表示浮点数内容）的数值，`p`是`s`中第一个非数值字符的下标，默认是0。返回`float`                                                                  |
| `stod(s, p)`      | 返回`double`                                                                                                                                                     |
| `stold(s, p)`     | 返回`long double`                                                                                                                                                |

## 容器适配器（adapter）

- 适配器是使一事物的行为类似于另一事物的行为的一种机制，例如`stack`可以使任何一种顺序容器以栈的方式工作。
- 初始化 `deque<int> deq; stack<int> stk(deq);` 从`deq`拷贝元素到`stk`。
- 创建适配器时，指定一个顺序容器，可以覆盖默认的基础容器： `stack<string, vector<string> > str_stk;`。

### 适配器的通用操作和类型

| 操作             | 解释                                                                                              |
| ---------------- | ------------------------------------------------------------------------------------------------- |
| `size_type`      | 一种类型，须以保存当前类型的最大对象的大小                                                        |
| `value_type`     | 元素类型                                                                                          |
| `container_type` | 实现适配器的底层容器类型                                                                          |
| `A a;`           | 创建一个名为`a`的空适配器                                                                         |
| `A a(c)`         | 创建一个名为`a`的适配器，带有容器`c`的一个拷贝                                                    |
| 关系运算符       | 每个适配器都支持所有关系运算符：`==`、`!=`、`<`、 `<=`、`>`、`>=`这些运算符返回底层容器的比较结果 |
| `a.empty()`      | 若`a`包含任何元素，返回`false`;否则返回`true`                                                     |
| `a.size()`       | 返回`a`中的元素数目                                                                               |
| `swap(a, b)`     | 交换`a`和`b`的内容，`a`和`b`必须有相同类型，包括底层容器类型也必须相同                            |
| `a.swap(b)`      | 同上                                                                                              |

### stack

| 操作              | 解释                                                     |
| ----------------- | -------------------------------------------------------- |
| `s.pop()`         | 删除栈顶元素，不返回。                                   |
| `s.push(item)`    | 创建一个新元素，压入栈顶，该元素通过拷贝或移动`item`而来 |
| `s.emplace(args)` | 同上，但元素由`args`来构造。                             |
| `s.top()`         | 返回栈顶元素，不删除。                                   |

- 定义在`stack`头文件中。
- `stack`默认基于`deque`实现，也可以在`list`或`vector`之上实现。

### queue和priority_queue

| 操作              | 解释                                      |
| ----------------- | ----------------------------------------- |
| `q.pop()`         | 删除队首元素，但不返回。                  |
| `q.front()`       | 返回队首元素的值，不删除。                |
| `q.back()`        | 返回队尾元素的值，不删除。只适用于`queue` |
| `q.top()`         | 返回具有最高优先级的元素值，不删除。      |
| `q.push(item)`    | 在队尾压入一个新元素。                    |
| `q.emplace(args)` |                                           |

- 定义在`queue`头文件中。
- `queue`默认基于`deque`实现，`priority_queue`默认基于`vector`实现。
- `queue`可以在`list`或`vector`之上实现，`priority_queue`也可以用`deque`实现。