C++学习之STL学习

        在经过前面的简单的C++入门语法的学习后，我们开始接触C++最重要的组成部分之一：STL

目录

STL的介绍

        什么是STL

        STL的历史

UTF-8编码原理（了解）

UTF-8编码原理

核心编码规则

规则解析

编码步骤示例

1. 确定码点范围

2. 转换为二进制

3. 按格式填充数据位

4. 合并字节序列

UTF-8编码示例表

UTF-8的核心优势

与其他编码的对比

实际应用场景

string类

        为什么要学习string类？

        标准库中的string类

        string类（了解）

        auto和范围for

        auto关键字

范围for 

        string类的常用接口说明

         string类对象的容量操作

string的遍历

一、[]运算符重载介绍

二、迭代器

三、范围for （C++11）

string类对象的修改操作

string类非成员函数

迭代器的介绍

迭代器的概念与分类

string中迭代器的获取方式

迭代器的基本操作

涉及迭代器的string成员函数

与STL算法结合使用

迭代器失效问题

实际应用示例

迭代器的意义：

一些string类的例题

        1.仅仅反转字母

        2.查找字符串中第一个唯一的字符

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STL的介绍

        什么是STL

        STL是C++标准库的重要组成部分，不仅是一个可复用的组件库，而且是一个保罗数据结构和算法的软件框架

        STL的历史

C++ STL版本历史发展总览

标准版本	发布时间	新增组件与特性	关键特性与改进	影响与意义
C++98	1998	- 容器：vector, list, deque, set, map - 算法：sort, find, copy - 迭代器、函数对象、适配器	首次将STL纳入C++标准，确立泛型编程范式。	奠定了现代C++标准库的基础，成为工业级开发的标配。
C++03	2003	- 无新增组件	技术性修订，修复C++98中的缺陷和模糊定义。	提升跨平台一致性，稳定了STL的实现。
C++11	2011	- 新容器：unordered_map, unordered_set, array, forward_list - 智能指针：shared_ptr, unique_ptr - 移动语义支持	- 引入右值引用和移动语义 - 支持Lambda表达式 - 线程安全组件（如std::thread）	现代化STL，显著提升性能和灵活性，推动多核编程。
C++14	2014	- 泛型Lambda - std::exchange, std::quoted	优化C++11特性，增强泛型编程能力。	简化代码，提升开发效率。
C++17	2017	- std::optional, std::variant, std::string_view - std::filesystem - 并行算法	- 文件系统标准化 - 并行执行算法（如std::sort支持多线程）	强化实用性和性能，支持现代硬件并行计算。
C++20	2020	- 范围库（std::ranges） - 概念（Concepts） - std::span, std::format	- 链式操作简化算法调用（如views::filter） - 约束模板参数，提升编译期类型安全。	革命性改进，代码更简洁、安全，支持函数式编程风格。
C++23	2023	- std::flat_map, std::flat_set - std::ranges::to - 网络库（提案中）	- 扁平化关联容器优化性能 - 网络编程接口标准化（进行中）	进一步优化数据结构和算法，扩展应用领域（如网络和嵌入式）。

各版本核心改进对比

特性分类	C++98	C++11	C++17	C++20
容器	基础线性/关联容器	哈希容器、固定数组	类型安全联合体、文件系统	范围视图、span
算法	基础泛型算法	支持Lambda和移动语义	并行算法、随机抽样	范围库链式操作
内存管理	原始指针	智能指针（shared_ptr）	内存资源管理（PMR）	无重大更新
并发支持	无	std::thread, std::mutex	无重大更新	无重大更新
元编程	基础模板	类型推导（auto）	结构化绑定、if constexpr	概念（Concepts）
实用性工具	无	std::function, std::bind	std::optional, std::any	std::format, std::chrono

关键版本里程碑

1. C++98：STL标准化，泛型编程成为主流。

2. C++11：现代化改造，支持移动语义和多线程。

3. C++17：实用工具扩展，文件系统和并行计算。

4. C++20：范围库和概念，代码简洁性与安全性飞跃。

5. C++23：扁平化容器和网络库，优化高性能场景。

主流STL实现对比

实现名称	所属编译器	特点
libstdc++	GCC	兼容性强，支持旧标准，广泛用于Linux系统。
libc++	Clang/LLVM	轻量高效，积极支持新标准（如C++20特性）。
MSVC STL	MSVC	深度集成Windows生态，优化调试模式，支持最新C++特性。

UTF-8编码原理（了解）

UTF-8编码原理

UTF-8（Unicode Transformation Format-8）是一种可变长度字符编码，用于将Unicode字符映射为字节序列。它兼容ASCII，支持所有Unicode字符（当前最长达21位），且无字节序（Endianness）问题，广泛应用于互联网和跨平台数据交换。

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核心编码规则

UTF-8通过1到4个字节表示一个字符，编码规则如下：

Unicode码点范围（十六进制）	UTF-8编码格式（二进制）	字节数
U+0000 ~ U+007F	0xxxxxxx	1字节
U+0080 ~ U+07FF	110xxxxx 10xxxxxx	2字节
U+0800 ~ U+FFFF	1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx	3字节
U+10000 ~ U+10FFFF	11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx	4字节

规则解析

1. 首字节前缀：

   • 1字节：以0开头。

   • 2字节：以110开头。

   • 3字节：以1110开头。

   • 4字节：以11110开头。

2. 后续字节前缀：所有后续字节均以10开头。

3. 数据位填充：x表示Unicode码点的二进制位，从高位到低位依次填充。

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编码步骤示例

以字符 “€”（Unicode码点 U+20AC）为例，演示UTF-8编码过程：

1. 确定码点范围

• U+20AC 属于 U+0800 ~ U+FFFF，需 3字节 编码。

2. 转换为二进制

• 十六进制 20AC → 二进制 0010 0000 1010 1100（共16位）。

3. 按格式填充数据位

• 3字节模板：1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。

• 将16位码点拆分填充：

  • 首字节：取高4位 0010 → 填充到 1110xxxx → 11100010。

  • 第二字节：取中间6位 000010 → 填充到 10xxxxxx → 10000010。

  • 第三字节：取低6位 101100 → 填充到 10xxxxxx → 10101100。

4. 合并字节序列

• 最终UTF-8编码（十六进制）：E2 82 AC。

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UTF-8编码示例表

字符	Unicode码点	UTF-8编码（十六进制）	二进制格式
'A'	U+0041	41	01000001
'ç'	U+00E7	C3 A7	11000011 10100111
'中'	U+4E2D	E4 B8 AD	11100100 10111000 10101101
'😂'	U+1F602	F0 9F 98 82	11110000 10011111 10011000 10000010

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UTF-8的核心优势

1. 兼容ASCII：

   • 所有ASCII字符（0x00-0x7F）的UTF-8编码与原ASCII编码一致，旧系统可无缝兼容。

2. 空间高效：

   • 常用字符（如拉丁字母、汉字）仅需2-3字节，比UTF-16/UTF-32更节省空间。

3. 无字节序问题：

   • 字节顺序固定（Big-Endian），无需BOM（Byte Order Mark）。

4. 容错能力强：

   • 通过前缀模式可检测编码错误（如无效的后续字节）。

   • 与其他编码的对比

     编码方式	特点	适用场景
     UTF-8	可变长度（1-4字节），兼容ASCII，无字节序问题	网络传输、存储、跨平台
     UTF-16	固定2或4字节，存在大端（BE）和小端（LE）问题，需BOM标记	Windows系统、部分旧协议
     UTF-32	固定4字节，直接映射码点，空间占用大	内存处理、内部计算

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     实际应用场景

   • Web开发：

     • HTML、JSON、XML默认使用UTF-8编码，确保多语言支持。

   • 文件存储：

     • 文本文件（如.txt、.csv）优先使用UTF-8，避免乱码。

   • 数据库：

     • MySQL、PostgreSQL等数据库推荐UTF-8作为字符集。

   • 编程语言：

     • Python、Java、JavaScript等均原生支持UTF-8字符串处理。

string类

        为什么要学习string类？

       C语言中，字符串是以'\0'结尾的一些字符的集合，为了操作方便，C标准库中提供了一些str系列的库函数，但是这些库函数与字符串是分离开的，不太符合OOP的思想，而且底层空间需要用户自己管理，稍不留神可能还会越界访问。

        标准库中的string类

        string类（了解）

        官方string类的介绍文档：

        <string> - C++ 参考

        string - C++ 参考

        在使用string类的时候，必须要包含头文件<string.h>以及

using namespace std

        auto和范围for

        auto关键字

        早期C/C++中auto的含义是：使用auto修饰的变量是具有自动储存器的局部变量，后来这个不重要了。在C++11 中auto有了全新的含义：auto不再是一个储存类型的指示符，而是作为一个新的类型指示符来指示编译器，auto声明的变量必须由编译器在编译时期推导而得。

        用auto声明指针类型时，用auto和auto*没有任何区别，但是用auto声明引用类型时候必须加&，否则只是拷贝而无法通过它去改变指向的值

	int main(){int x = 10;auto y = x;auto *z= &x;auto& m = x;cout<<typeid(y).name()<<endl;cout<<typeid(z).name()<<endl;cout<<typeid(m).name()<<endl;return 0;}

这么写也可以

auto p1=&x;
auto* p2=&x;

 但是不能这么写

auto *p2=x;

        当同一行声明多个变量的时候，这些变量必须是相同类型的，否则编译器会报错。因为编译器实际上只对第一个类型进行推导，然后用推导出来的类型去定义其他变量

        auto不能作为函数的参数，可以做返回值，但是建议谨慎使用

#include <iostream>
using namespace std;
int func1()
{return 10;
}
//不能做参数
void func2(auto a)
{}
//可以做返回值但是谨慎使用
auto func3()
{return 10;
}
int main()
{int a = 10;auto b = a;auto c = 'a';auto d = func1();//编译错误：“e”包含类型“auto”必须要有初始值auto e;cout<<typeid(b).name()<<endl;cout<<typeid(c).name()<<endl;cout<<typeid(d).name()<<endl;return 0;
}

        auto不能直接声明数组

int main()
{auto aa = 1, bb = 2;//编译错误：声明符列表中，“auto”必须始终推到为同一类型auto cc = 3, dd = 4.0;//编译错误：不能将“auto[]”用作函数参数类型auto arr[] ={4,5,6};return 0;
}

关于    typeid(b).name()    的解析

• typeid(b)：
  使用 typeid 运算符获取变量 b 的类型信息，返回一个 std::type_info 对象的常量引用。

  • 作用：在运行时（RTTI，Run-Time Type Information）或编译时获取类型信息。

  • 头文件：需包含 <typeinfo>。

• .name()：
  std::type_info 的成员函数，返回一个表示类型名称的字符串（格式取决于编译器实现）。

  • 输出示例：

    • GCC/Clang：i（表示 int）

    • MSVC：int

• cout << ... << endl：
  输出 typeid(b).name() 返回的字符串，并换行。

auto真正的应用：

#include <iostream>
#include<string>
#include<map>
using namespace std;
int main()
{std::map<std::string, std::string> dict = { {"apple","苹果"},{"orange","橘子"},{"pear","梨"}};//auto的应用//std::map<std::string, std::string>::iterator it = dict.begin();auto it =dict.begin();while (it != dict.end()){cout<<it->first<<" "<<it->second<<endl;++it;}return 0;
}

范围for 

        对于有范围的集合而言，程序员说明循环的范围是多余的，有时候还会容易犯错误。因此C++11引入了基于范围的for循环。for循环后括号由冒号“：”分为两部分：第一部分是范围用于迭代的变量，第二部分则表示被迭代的范围，自动迭代自动取数据，自动判断结束

        范围for可以作用到数组和容器对象上遍历。

        范围for的底层很简单，容器遍历实际上就是替换为迭代器，从汇编也可以看到

#include<iostream>
#include<string>
#include<map>
using namespace std;
int main()
{int arr[] = {1,2,3,4,5};C++98的遍历//for (int i = 0;i < sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);i++)//{//	cout<<arr[i]<<endl;//}//C++11的遍历for (auto& e : arr){e *= 2;}for (auto&e : arr){cout<<e<<" " << endl;}string str("hello world");for (auto ch : str){cout<<ch<<" ";}cout<<endl;return 0;
}

        string类的常用接口说明

        string的构造方式

他们的特点分别为：

（constructor）函数名称	功能说明
string（重点）	构造空的string类，即空字符串
string（const char*s）（重点）	用C-string来构造string类对象
string(size_t n,char c)	string类对象包含n个字符c
string(const string &s)(重点)	拷贝构造函数

        一个简单的string程序

#include <iostream>
#include<string>
using namespace std;
void test()
{//最常见的两种string构造方式string s1;                      //构造空字符串string s2 = "hello world";      //构造常量字符串string s3(s2);                  //拷贝构造string s4(s2, 1, 5);            //从s2中构造子串string s5(s2, 1, 50);string s6(s2, 1);const char* str = "hello world";//常量字符串string s7(str, 5);                  //从常量字符串构造string s8(100,'#');                    //从常量字符串构造cout << s1 << endl;cout << s2 << endl;cout << s3 << endl;cout << s4 << endl;cout << s5 << endl;cout << s6 << endl;cout << s7 << endl;cout << s8 << endl;
}
int main()
{test();return 0;
}

结果为：

         string类对象的容量操作

        

函数名称	功能说明
size(重点)	返回字符串有效字符长度
length	返回字符串有效字符长度
capacity	返回空间总大小
empty(重点)	检测字符串释放为空串，是返回true，否返回false
clear(重点)	清空有效字符
reserve(重点)	给字符串预留空间
resize(重点)	讲有效字符的个数改成n个，多出的空间用字符c填充

注意：

1. size()与length()方法底层实现原理完全相同，引入size()的原因是为了与其他容器的接口保持一致，一般情况下基本都是用size()。

2. clear()只是将string中有效字符清空，不改变底层空间大小。

3. resize(size_t n) 与  resize(size_t n, char c)都是将字符串中有效字符个数改变到n个，不同的是当字符个数增多时：resize(n)用0来填充多出的元素空间，resize(size_t n, charc)用字符c来填充多出的元素空间。注意：resize在改变元素个数时，如果是将元素个数增多，可能会改变底层容量的大小，如果是将元素个数减少，底层空间总大小不变。

4. reserve(size_t res_arg=0)：为string预留空间，不改变有效元素个数，当reserve的参数小于string的底层空间总大小时，reserver不会改变容量大小。

参考文献：string - C++ 参考

以下是一些关键内容的截图：

 

string的遍历

函数名称	功能说明
operator[]（重点）	返回pos的位置，const string类对象调用
begin+end	begin获取一个字符的迭代器+end获取最后一个字符下一个位置的迭代器
rbegin+rend	begin获取一个字符的迭代器+end获取最后一个字符下一个位置的迭代器
范围for	C++11支持更简洁的范围for新遍历方式

一、[]运算符重载介绍

我们很明显地发现：s2是不能修改的 

因为它们的调用关系是这样的

void test()
{string s1("hello world");const string s2("hello world");//遍历+修改//下标+[]s1[0]++;/*s2[0]++;*/cout<<s1<<endl;for (size_t i = 0;i < s1.size();i++){s1[i]++;}cout << s1 << endl;
}
int main()
{test();return 0;
}

结果为：

二、迭代器

迭代器是像指针一样的类型对象

void test()
{string s1("hello world");const string s2("hello world");//遍历+修改//下标+[]s1[0]++;/*s2[0]++;*/cout<<s1<<endl;for (size_t i = 0;i < s1.size();i++){s1[i]++;}cout << s1 << endl;//begin() end()返回的是一段迭代器位置的区间,形式是这样的[        ）//迭代器//s1--//iterator迭代器//迭代器使用起来像指针string::iterator it = s1.begin(); while (it!= s1.end()){(*it)--;++it;}cout << s1 << endl;}
int main()
{test();return 0;
}

结果为：

迭代器是所有容器的主流迭代方式，迭代器具有迁移性，掌握一个其他的也可以轻松上手

	vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);vector<int>::iterator it2 = v.begin();while (it2 != v.end()){cout<<*it2<<" ";++it2;}

三、范围for （C++11）

        （这里需要结合前面的auto和范围for的拓展知识内容）

#include<iostream>
#include<string>
#include<map>
using namespace std;
int main()
{int arr[] = {1,2,3,4,5};//C++11的遍历for (auto& e : arr)//从：开始自动，特点是：//自动取范围中的数据赋值给e，//自动判断结束//自动迭代{e *= 2;}for (auto&e : arr){cout<<e<<" " << endl;}string str("hello world");for (auto ch : str){cout<<ch<<" ";}cout<<endl;return 0;
}

        范围for可以遍历vector，list等其他容器。 

        范围for本质上底层也会替换为新迭代器，即e=*迭代器

string类对象的修改操作

函数名称	功能介绍
push  back	在字符串中后尾插字符c
append	在字符串后追加一个字符串
operator+=(重点)	在字符串后追加字符串str
c_str(重点)	返回C格式字符串
find+npos（重点）	从字符串pos位置开始向后找字符c，返回该字符在字符串中的位置
rfind	从字符串pos位置开始往前找字符c，返回该字符在字符串中位置
substr	在str中从pos位置开始，截取n个字符然后返回

注意：

1. 在string尾部追加字符时，s.push_back(c) / s.append(1, c) / s += 'c'三种的实现方式差不多，一般情况下string类的+=操作用的比较多，+=操作不仅可以连接单个字符，还可以连接字符串。

2. 对string操作时，如果能够大概预估到放多少字符，可以先通过reserve把空间预留好。

void test()
{vector<int> v;v.push_back(1);v.push_back(2);v.push_back(3);v.push_back(4);vector<int>::iterator it2 = v.begin();while (it2 != v.end()){cout<<*it2<<" ";++it2;}reverse(v.begin(), v.end());}​

string类非成员函数

        

函数	功能说明
operator+	尽量少用，因为传值返回，导致深拷贝效率降低
operator>>（重点）	输入运算符重载
operator<<（重点）	输出运算符重载
getline（重点）	获取一行字符串
relation operators(重点)	大小比较

         上面的几个接口大家了解一下，下面的OJ题目中会有一些体现他们的使用。string类中还有一些其他的操作，这里不一一列举，大家在需要用到时不明白了查文档即可。

迭代器的介绍

迭代器的概念与分类

迭代器是STL中访问容器元素的通用接口，行为类似指针，但抽象程度更高。

1. 迭代器类别：

   • 正向迭代器（Forward Iterator）：单向遍历（如 std::string::iterator）。

   • 双向迭代器（Bidirectional Iterator）：支持双向移动（如 std::list::iterator）。

   • 随机访问迭代器（Random Access Iterator）：支持跳跃访问（如 std::vector::iterator）。

   • 反向迭代器（Reverse Iterator）：逆序遍历容器（如 std::string::reverse_iterator）。

   • const迭代器：禁止修改元素（如 std::string::const_iterator）。

2. string的迭代器类型：

   • std::string::iterator：可修改的随机访问迭代器。

   • std::string::const_iterator：不可修改的随机访问迭代器。

   • std::string::reverse_iterator：可修改的反向迭代器。

   • std::string::const_reverse_iterator：不可修改的反向迭代器。

string中迭代器的获取方式

通过成员函数获取不同类别的迭代器：

正向迭代器：

std::string str = "Hello";
auto begin = str.begin();   // 指向第一个字符的迭代器
auto end = str.end();       // 指向末尾（最后一个字符的下一位）

反向迭代器：

auto rbegin = str.rbegin(); // 指向最后一个字符的反向迭代器
auto rend = str.rend();     // 指向头部前一位的反向迭代器

const迭代器：

auto cbegin = str.cbegin(); // 常量正向迭代器
auto crbegin = str.crbegin(); // 常量反向迭代器

迭代器的基本操作

遍历字符串：

for (auto it = str.begin(); it != str.end(); ++it) {std::cout << *it;  // 解引用访问字符
}

反向遍历：

for (auto rit = str.rbegin(); rit != str.rend(); ++rit) {std::cout << *rit;  // 输出逆序字符
}

随机访问：

auto it = str.begin() + 3;  // 跳转到第4个字符（'l'）
std::cout << *it;           // 输出 'l'

涉及迭代器的string成员函数

构造与赋值：

std::string s4(str.begin(), str.begin() + 3); // 构造子串 "Hel"
str.assign(s4.rbegin(), s4.rend());           // 赋值逆序子串 "leH"

插入与删除：

str.insert(str.begin() + 2, 'X');    // 在位置2插入'X' → "HeXllo"
str.erase(str.begin() + 1);          // 删除位置1的字符 → "HXllo"

查找与替换：

auto pos = std::find(str.begin(), str.end(), 'X');
if (pos != str.end()) {*pos = 'Y';  // 替换找到的字符
}

与STL算法结合使用

利用标准算法处理字符串：

排序字符串字符：

std::sort(str.begin(), str.end()); // 升序排列字符

统计字符出现次数：

int count = std::count(str.begin(), str.end(), 'l');

条件查找：

auto it = std::find_if(str.begin(), str.end(), [](char c) {return c >= 'A' && c <= 'Z';
});

迭代器失效问题

1. 导致失效的操作：

   • 修改字符串长度（如append(), insert(), erase()）。

   • 重新分配内存（如reserve()不足时扩容）。

2. 安全实践：

   • 在修改操作后，避免使用旧的迭代器。

   • 使用索引或重新获取迭代器。

实际应用示例

逆序输出字符串：

for (auto rit = str.rbegin(); rit != str.rend(); ++rit) {std::cout << *rit;
}

删除所有空格：

str.erase(std::remove(str.begin(), str.end(), ' '), str.end());

转换为大写：

std::transform(str.begin(), str.end(), str.begin(), ::toupper);

迭代器的意义：

1.统一类似的方式遍历修改容器

2.算法脱离了具体的底层结构，与底层结构解耦（降低耦合，降低关联关系）

算法独立模板实现，针对多个容器处理

下图就是相关的代码示例：（使用前要包含头文件<algorithm>）

一些string类的例题

        1.仅仅反转字母

题目：

       这道题本质上是类似于快速排序算法

        这道题不适合用范围for,也不适合迭代器。用下标法求解这道题：

class Solution
{
public:string reverseOnlyLetters(string s) {if(s.empty())return s;size_t begin=0,end=s.size()-1;while(begin<end){while(begin<end&&!isalpha(s[begin])){++begin;}while(begin<end&&!isalpha(s[end])){--end;}swap(s[begin],s[end]);++begin;--end;}return s;}
};

或者

class Solution
{
public:bool isletter(char ch){if(ch>='a'&&ch<='z'){return true;}else if(ch>='A'&&ch<='Z'){return true;}else {return false;}}string reverseOnlyLetters(string s) {if(s.empty())return s;size_t begin=0,end=s.size()-1;while(begin<end){while(begin<end&&!isletter(s[begin])){++begin;}while(begin<end&&!isletter(s[end])){--end;}swap(s[begin],s[end]);++begin;--end;}return s;}
};

        2.查找字符串中第一个唯一的字符

        题目：

         思路：哈希

        哈希就是映射，即建立数字与位置的映射，就像下图这样

class Solution
{
public:int firstUniqChar(string s) {int count[26]={0};//每个字符出现的次数for(auto e:s){count[e-'a']++;}for(size_t i=0;i<s.size();++i){if(count[s[i]-'a']==1){return i;}}return -1;}
};

         本期博客就到这里了，string的内容还没有结束，后续我们会进一步了解string的应用