侯捷 C++ 课程学习笔记：C++常用标准库

标准库

#include<bits/stdc++.h>

万能头

是一个简写方式，用来一次性包含 C++ 标准库中的许多常用部分，比如输入输出流（iostream）、算法（algorithm）、向量（vector）、列表（list）、队列（queue）、栈（stack）、映射（map）、集合（set）等。使用它可以让程序员在编写解决特定问题的代码时，不必一一列出所需的所有头文件，简化了代码的编写过程。

在实际的工程项目或更专业的编程实践中，直接使用 #include<bits/stdc++.h> 并不被推荐，主要原因有：

  1. 非标准: 这个头文件不是 C++ 标准库的一部分，因此在不同的编译器或平台上可能不可用。
  2. 编译时间: 包含这个头文件可能会增加编译时间，因为它包含了大量你可能并不需要的功能。
  3. 可读性和可维护性: 明确列出所需的头文件可以提高代码的可读性和可维护性，让其他阅读代码的人更容易理解程序的结构和依赖。

#include<cmath>

基本运算

  • abs(x)：返回x的绝对值，适用于整数、浮点数等。
  • sqrt(x)：返回x的平方根，x应为非负数。

幂与对数

  • pow(base, exponent)：计算base的exponent次幂。
  • exp(x)：返回e的x次幂，其中e是自然对数的底数（约等于2.71828）。
  • log(x)：返回x的自然对数（以e为底）。
  • log10(x)：返回x的常用对数（以10为底）。

三角函数

  • sin(x)：返回x弧度的正弦值。
  • cos(x)：返回x弧度的余弦值。
  • tan(x)：返回x弧度的正切值。
  • 以上每个函数都有对应的反三角函数，如asin, acos, atan等，以及它们的逆函数（如atan2(y, x)）。

取整函数

  • floor(x)：返回小于或等于x的最大整数。
  • ceil(x)：返回大于或等于x的最小整数。
  • round(x)：四舍五入到最近的整数。
  • trunc(x)：返回x去掉小数部分后的整数部分。

其他常用函数

  • fabs(x)：返回x的浮点绝对值。
  • fmod(x, y)：返回x除以y的浮点余数。
  • modf(x, &intpart)：将x分解为整数和小数部分，整数部分存储在intpart指针指向的位置，返回小数部分。
  • max(a, b) 和 min(a, b)：分别返回两个数中的最大值和最小值。

ceil(向上取余)

ceil 是一个数学函数，全称为 “ceiling”，意为“天花板”。在C++标准库中的 <cmath> 头文件被定义。这个函数接受一个浮点数作为参数，返回大于或等于该数的最小整数。

ceil(3.2) 返回 4

ceil(4.0) 返回 4

ceil(-3.2) 返回 -3

ceil(-3.8) 返回 -3

pow

pow函数的返回值类型通常是double，表示计算结果。

如果要输出其他类型要进行强制转化

  • 当基数（base）为正数或零，且指数（exponent）为任意实数时，pow返回基数的指数次幂的值。
  • 当基数为负数且指数为非整数时，结果是复数（但这在C++标准库的pow函数中通常不直接支持，需要特殊的复数库处理）。
  • 当基数为负数且指数为整数时，结果遵循算术规则，例如pow(-2, 3)返回-8。
  • 如果指数为零，无论基数为何值（除了pow(0, 0)，这在数学上是不确定的形式，但在许多实现中会返回1），结果都是1。
  • 如果基数为0且指数为负数，则结果是正无穷大，表示一个无效的数学操作（除以0的情况）。

#include<cctype>

#include 是C++标准库中的一个头文件，它包含了用于处理字符分类和转换的功能函数。

这个头文件定义了一系列测试字符类型和转换字符的函数，这些函数对于文本处理和验证输入非常有用。以下是一些常用的函数示例：

  • isalnum(c): 判断字符c是否为字母或数字。
  • isalpha(c): 判断字符c是否为字母。
  • isdigit(c): 判断字符c是否为数字。
  • islower(c): 判断字符c是否为小写字母。
  • isupper(c): 判断字符c是否为大写字母。
  • isspace(c): 判断字符c是否为空白字符（如空格、换行、制表符等）。
  • ispunct(c): 判断字符c是否为标点符号。
  • tolower(c): 将字符c转换为小写形式（如果可能）。
  • toupper(c): 将字符c转换为大写形式（如果可能）。

函数的返回值为bool类型

#include<algorithm>

C++ 标准库中的 头文件包含了一系列非常有用的算法函数，这些函数可以用于处理容器（如向量、列表、数组等）中的元素。这些算法可以极大地简化编程任务，使代码更加简洁和易于理解。

交换算法

swap()

用于交换两个对象的内容

#include <iostream>
#include <algorithm> // 包含swap模板函数int main() {int x = 10, y = 20;std::swap(x, y); // 交换x和y的值std::cout << "x = " << x << ", y = " << y << std::endl; // 输出：x = 20, y = 10return 0;
}

class MyClass {
public:// ... 其他成员函数和数据成员 ...// 重载 swap 成员函数friend void swap(MyClass& a, MyClass& b) noexcept {using std::swap; // 确保正确交换内部成员swap(a.member1, b.member1);swap(a.member2, b.member2);// ... 交换其他成员 ...}
};
reverse()

翻转容器里的元素

#include <algorithm>
#include <vector>
#include <iostream>int main() {std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};// 使用 reverse 函数反转容器中的元素std::reverse(vec.begin(), vec.end());// 打印反转后的容器for(int num : vec) {std::cout << num << " ";}std::cout << std::endl; // 输出: 5 4 3 2 1return 0;
}

注意事项

  • reverse 不会创建容器或数组的副本，而是直接修改原容器。
  • 该函数适用于各种标准库容器，如 std::vector, std::list, std::array 等，以及原始数组。
  • 对于双向迭代器支持的容器（如 std::vector, std::list），reverse 可以正常工作。对于只支持单向迭代器的容器（如 std::forward_list），则无法直接使用 reverse，因为需要反向迭代的能力。

排序算法：

sort

std::sort(first, last): 对范围 [first, last) 内的元素进行排序。

它提供了高效、灵活的排序功能，支持自定义排序规则，并且默认实现的是快速排序算法，但在不同的标准库实现中可能会有所不同，有的实现可能会根据数据规模选择最适合的排序算法（例如，对于小数据集可能使用插入排序）。

#include <algorithm>
#include <vector>
#include <iostream>int main() {std::vector<int> vec = {5, 2, 4, 6, 1, 3};// 对整个向量进行升序排序std::sort(vec.begin(), vec.end());// 打印排序后的向量for(int num : vec) {std::cout << num << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

自定义排序

如果你需要根据元素的特定条件进行排序，可以提供一个比较函数作为第三个参数给 sort 函数。这个比较函数应该接受两个参数并返回一个 bool 值，指示第一个参数是否应该排在第二个参数之前。

bool compare(int a, int b) {return a > b; // 降序排序
}int main() {std::vector<int> vec = {5, 2, 4, 6, 1, 3};// 使用自定义比较函数进行降序排序std::sort(vec.begin(), vec.end(), compare);// 打印排序后的向量for(int num : vec) {std::cout << num << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

Lambda 表达式

C++11 引入了lambda表达式，使得自定义排序规则更加简洁。

int main() {std::vector<int> vec = {5, 2, 4, 6, 1, 3};// 使用Lambda表达式进行降序排序std::sort(vec.begin(), vec.end(), [](int a, int b){ return a > b; });// 打印排序后的向量for(int num : vec) {std::cout << num << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

sort 函数的时间复杂度平均为 O(nlog n)，在最坏情况下也是 O(nlogn)，其中 n 是容器中元素的数量。由于它使用了高效的排序算法，因此在处理大量数据时表现优秀。

std::stable_sort(first, last): 稳定排序，即保持等价元素的相对顺序。
std::partial_sort(first, middle, last): 对范围 [first, last) 内的元素进行部分排序，使得前 middle - first 个元素是整个范围内的最小元素。

全排序
next_permutation

功能：生成当前排列的下一个字典序排列。如果当前排列已经是最大的（即按字典序排列的最大值），则函数返回 false，并且不改变原序列。

示例：

std::vector<int> vec = {1, 2, 3};
while(std::next_permutation(vec.begin(), vec.end())) {for(int num : vec) std::cout << num << " ";std::cout << std::endl;
}

这段代码会输出 1, 2, 3 的所有后续排列，直到达到最大排列 3, 2, 1，之后停止。

prev_permutation

功能：生成当前排列的上一个字典序排列。如果当前排列已经是最小的（即按字典序排列的最小值），则函数返回 false，并且不改变原序列。

示例：

std::vector<int> vec = {3, 2, 1};
while(std::prev_permutation(vec.begin(), vec.end())) {for(int num : vec) std::cout << num << " ";std::cout << std::endl;
}

这段代码会输出 3, 2, 1 的所有前序排列，直到达到最小排列 1, 2, 3，之后停止。

工作原理简述

  • next_permutation：从序列的末尾开始，找到第一对相邻元素 i, i+1 使得 vec[i] < vec[i+1]。如果找不到这样的对，说明当前排列已经是最大的，返回 false。找到了这样的对之后，在序列 vec[i+1:end] 中找到第一个大于 vec[i] 的元素 vec[j]，交换 vec[i] 和 vec[j]，然后反转 vec[i+1:end] 的顺序。

  • prev_permutation：工作原理与 next_permutation 相似，但方向相反。它从序列的末尾开始，寻找第一对相邻元素 i, i+1 使得 vec[i] > vec[i+1]。找到这对元素后，在 vec[begin:i] 中找到第一个小于 vec[i] 的元素 vec[k]，交换 vec[i] 和 vec[k]，然后反转 vec[i+1:end] 的顺序。

    next_permutation 和 prev_permutation 函数的返回值都是布尔类型 (bool)。

查找算法：

std::find(first, last, value): 在范围 [first, last) 内查找值为 value 的元素。
std::find_if(first, last, pred): 在范围 [first, last) 内查找满足谓词 pred 的第一个元素。

std::binary_search(first, last, value): 在已排序的范围 [first, last) 内进行二分查找。

lower_bound

std::lower_bound 函数在给定的排序区间 [first, last) 中查找第一个不小于（大于等于）给定值 val 的元素的位置。它返回一个迭代器，指向该元素或者位于该元素应该插入位置的迭代器。

如果所有元素都小于 val，则返回 last 的迭代器。

template< class ForwardIt, class T >
ForwardIt lower_bound( ForwardIt first, ForwardIt last, const T& value );
upper_bound

std::upper_bound 函数则查找第一个大于给定值 val 的元素的位置。它返回一个迭代器，指向该元素或者位于该元素应该插入位置的迭代器。

如果所有元素都不大于 val，则返回 last 的迭代器。

template< class ForwardIt, class T >
ForwardIt upper_bound( ForwardIt first, ForwardIt last, const T& value );

修改算法：

std::for_each(first, last, func): 对范围 [first, last) 内的每个元素执行函数 func。
std::transform(first1, last1, result, func): 将范围 [first1, last1) 内的每个元素通过函数 func 转换，并将结果存储在 result 指向的位置。
std::replace(first, last, old_value, new_value): 将范围 [first, last) 内所有值为 old_value 的元素替换为 new_value。

比较算法：

std::equal(first1, last1, first2): 检查两个范围 [first1, last1) 和 [first2, first2 + (last1 - first1)) 是否包含相同的元素。
std::lexicographical_compare(first1, last1, first2, last2): 按字典顺序比较两个范围。

集合算法：

std::set_union(first1, last1, first2, last2, result): 计算两个已排序范围的并集，并将结果存储在 result 指向的位置。
std::set_intersection(first1, last1, first2, last2, result): 计算两个已排序范围的交集。
std::set_difference(first1, last1, first2, last2, result): 计算第一个已排序范围与第二个已排序范围的差集。
std::set_symmetric_difference(first1, last1, first2, last2, result): 计算两个已排序范围的对称差集

分区算法：

std::partition(first, last, pred): 对范围 [first, last) 内的元素进行分区，使得谓词 pred 为真的元素都出现在为假的元素之前。
std::stable_partition(first, last, pred): 稳定分区，即保持等价元素的相对顺序。

最小/最大算法：

std::min/max():返回两个或多个参数中的最小值

#include <iostream>
#include <algorithm>int main() {int x = 10, y = 20;std::cout << "Min: " << std::min(x, y) << std::endl; // 输出 Min: 10// 使用初始化列表std::cout << "Min in list: " << std::min({30, 5, 15}) << std::endl; // 输出 Min in list: 5return 0;
}

std::min_element(first, last): 返回范围 [first, last) 内最小元素的迭代器。
std::max_element(first, last): 返回范围 [first, last) 内最大元素的迭代器。
std::minmax_element(first, last): 同时返回范围 [first, last) 内的最小和最大元素的迭代器。

std::ntr_element(first, last)

nth_element 是 C++ 标准库 <algorithm> 中的一个函数，它的功能是在未排序的序列中重新排列元素，使得某个特定的元素（按排序顺序定义的第 n 个元素）出现在它本来应该在的排序位置上，同时保证在这个元素之前的元素都不大于它，在这个元素之后的元素都不小于它。但是，nth_element 不保证序列中其他元素的顺序，它是一种部分排序算法，主要应用于需要快速访问第 n 小（或第 n 大）元素的场景，而不是完全排序整个序列。

基本用法

#include <algorithm>
#include <vector>
#include <iostream>int main() {std::vector<int> vec = {9, 1, 5, 3, 7, 6, 4, 8, 2};int n = 4; // 找到第4小的元素// 使用 nth_element 将第n小的元素放到它正确的位置上std::nth_element(vec.begin(), vec.begin() + n - 1, vec.end());// 输出结果，注意此时只有nth位置的元素确定了其排序位置std::cout << "The " << n << "th smallest element is: " << vec[n - 1] << std::endl;return 0;
}

在这个例子中，nth_element 会将第4小的元素放到序列中的第4个位置上，而序列中剩余元素的相对顺序可能会改变，但保证了前三个元素都不大于这个元素，且后面的所有元素都不小于这个元素。

参数说明

  • begin：序列的起始迭代器。
  • nth：指向需要定位的第 n 个元素的迭代器。如果 n 是0，则指向第一个元素；如果 n 等于序列的大小，则指向序列的末尾迭代器。
  • end：序列的结束迭代器。

时间复杂度

nth_element 的平均时间复杂度为 O(N)，其中 N 是序列中元素的数量，最坏情况下的时间复杂度为 O(N^2)，但这种情况较为罕见。它在实践中通常比完整的排序算法更快，特别是在只需要找到序列中特定位置的元素时。

删除算法

std::remove和std::remove_if

这两个函数用于重新排列容器中的元素，使得所有“不需要”的元素都被移动到容器的末尾，并返回一个指向新逻辑末尾（即最后一个“需要”的元素之后）的迭代器。但请注意，它们不会实际减少容器的大小；要减少大小，你需要使用容器的erase成员函数。

#include <algorithm>  
#include <vector>  int main() {  std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};  // 移除所有偶数  auto new_end = std::remove_if(vec.begin(), vec.end(), [](int i) { return i % 2 == 0; });  // 现在vec包含{1, 3, 5, 7, 9, ?, ?, ?, ?}，其中?是未定义的值  // 使用erase来真正删除这些元素  vec.erase(new_end, vec.end());  // 现在vec只包含{1, 3, 5, 7, 9}  
}
std::stable_partition

虽然std::stable_partition通常不直接用于删除操作，但它可以根据某个谓词重新排列元素，保持相等元素的相对顺序不变。这可以用于将满足条件的元素移动到容器的一侧，然后（如果需要）删除不满足条件的元素。

std::partition

类似于std::stable_partition，但std::partition不保证保持相等元素的相对顺序。它也可以用于根据谓词重新排列元素，但通常不是用于删除操作的首选方法。

std::unique

std::unique用于去除相邻的重复元素，但它要求输入范围已经排序。它返回一个迭代器，指向去重后序列的末尾的下一个位置。然而，std::unique并不真正删除元素；它只是通过覆盖来“删除”它们。要与std::unique一起使用以实际删除元素，你需要确保你的容器已经排序，并且之后要使用erase。

具体来说，std::unique的工作流程如下：

  1. 输入要求：输入的序列必须是已经排序的。这是因为std::unique通过比较相邻元素来识别重复项，如果序列没有排序，那么它就无法正确地识别出哪些元素是重复的。
  2. 遍历序列：std::unique遍历输入的序列，一次比较两个相邻的元素。
  3. 处理重复元素：如果发现相邻的两个元素相等（即它们是重复的），std::unique就会将这两个元素中的后一个（或者说“第二个”）视为“不需要的”，并尝试通过将其位置上的值替换为一个在当前上下文中被认为是“未使用”或“未定义”的值来“删除”它。然而，实际上std::unique并不显式地将这些元素的值设置为某个特定的占位符或默认值；相反，它通常只是简单地让这些元素保持其未初始化或已经被修改的状态，因此这些值在逻辑上是未定义的。
  4. 返回新逻辑序列的末尾：std::unique返回一个迭代器，该迭代器指向逻辑上新的、去重后序列的末尾的下一个位置。这意味着从序列的开始到这个返回的迭代器之间的元素是去重后的，而从这个返回的迭代器到序列末尾之间的元素（尽管它们的物理位置还在那里）在逻辑上被视为是“不需要的”或“被删除的”。
  5. 物理删除（如果需要）：由于std::unique本身并不改变容器的大小，如果你想要物理地删除那些被逻辑上“删除”的元素，你需要使用容器的erase成员函数，将std::unique返回的迭代器作为起始点，将容器的end()迭代器作为结束点，来删除这些元素。

#include<cstring>

memset()

memset 是C/C++语言中的一个函数，用于在内存块中填充特定的值。这个函数常用于初始化数组、结构体或其他内存区域，尤其是当需要将大量内存区域设置为零（即清零）时特别有效。memset 函数属于 <string.h> 或 <cstring> 头文件（C++ 中）。

void *memset(void *ptr, int value, size_t num);
  • ptr：指向要填充的内存区域的指针。
  • value：要设置的值，会被转换为 unsigned char 类型，因此实际上只能有效设置0-255之间的值到内存中。
  • num：要填充的字节数。

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