C++ STL

平时保存一组整数或字符串时，我们经常会用到 std::vector。结合上一章刚学的类模板知识来看，同一个 vector 模板，只要在尖括号 <> 里填入不同的数据类型，就能生成存放对应数据的动态数组。

除了 vector 之外，C++ 标准库还提供了自动去重的集合、按键值对查找的映射表，以及排序、查找、反转等一系列实用函数。这些工具背后遵循着同一套设计思路，也就是这一章我们要学习的 STL。先把这张整体地图看明白，后面学习具体的容器和算法时就会顺畅很多。

C++ STL 是什么？

STL 是英文 “Standard Template Library” 的缩写，中文通常翻译为 “标准模板库”。在日常 C++ 开发中，我们常说的 STL，指的就是标准库中基于模板实现的一套通用数据管理与处理工具。

初学的小伙伴需要注意一点，不要把 STL 和 “整个 C++ 标准库” 完全画等号。C++ 标准库的范围更大，除了 STL 之外，还包含输入输出 iostream、智能指针、文件读写、日期时间等功能。简单来说，STL 是 C++ 标准库中专门负责 “装数据” 和 “处理数据” 的那一部分。

此外，STL 本身就是 C++ 标准库自带的组成部分。只要电脑上已经配置好了 C++ 编译环境，我们就不需要像第三方库那样额外下载或安装。平时想使用哪个容器或算法，只需要在代码开头通过 #include 引入对应的头文件就可以了。

C++ STL 的三个组成部分

一整套 STL 主要由 “容器”、“迭代器” 和 “算法” 这 3 个部分组成，它们之间的配合关系如下图所示。

1. 容器（Container）

容器，说白了就是 “用来装数据的工具”。前面学过的 std::vector 是最常用的一种容器，它可以把一组相同类型的数据按顺序存放在一起。

不同容器组织数据的方式并不相同，适合解决的问题也各不一样。比如 vector 适合按先后顺序存放一排数据，后面要学习的 set 适合自动过滤重复元素，而 map 和 unordered_map 则适合按 “键 → 值” 的对应关系快速查找数据。

因此，我们在学习 STL 容器时不需要死记硬背每一个成员函数名，重点是先搞清楚两件事：① 这个容器是怎么组织数据的；② 它适合用在什么场景下。

2. 迭代器（Iterator）

你可以先把迭代器简单理解成 “指向容器中某个元素位置的定位器”，用法跟前面学过的指针很像。

可能有些小伙伴会问：“为什么有了容器，还需要专门设计迭代器呢？” 这是因为不同容器的内部结构差别很大，有的在内存里连续排列，有的像链条一样分散连接。而标准库算法不需要关心容器底层是怎么存数据的，只需要借助迭代器知道 “从哪个位置开始处理、到哪个位置结束” 就够了。

在代码中，我们最常看到的是容器的 begin() 和 end() 这两个成员函数：

• begin()：返回指向容器中第一个元素的迭代器，也就是起始位置。
• end()：返回指向容器中最后一个元素 “再往后一步” 的空位，也就是结束边界。它本身并不指向有效元素，只是用来提醒算法处理到这里之前就停下。

把 begin() 和 end() 配对传给算法，表示处理从 begin() 开始、直到 end() 之前为止的元素。这种包含起点、不包含终点的范围常被称为 “左闭右开” 区间，刚好覆盖整个容器里的全部数据。关于迭代器的具体操作，下一章还会展开介绍，这里先认识它的定位作用即可。

3. 算法（Algorithm）

STL 在 <algorithm> 等头文件中提供了大量现成的通用算法，其中最常用的就是排序函数 std::sort()，此外还有查找函数 std::find()、反转函数 std::reverse() 等。这些算法大多不是某个容器专属的成员函数，而是独立定义的函数模板，通过迭代器来操作容器里的数据。

这样设计的好处很直观：容器只管 “数据怎么存”，算法只管 “数据怎么处理”，两边通过迭代器连接起来。标准库只需要编写一套通用算法，就能配合多种不同的容器一起使用。

不过我们也要留意一点，并不是所有算法都能随便套在任意容器上。比如 std::sort() 要求容器支持按位置快速跳转，因此可以直接用于 vector 和 array，但不能直接用于双向链表 list。这些具体规则，后面学到对应容器时我们会逐一说明。

容器、迭代器与算法如何配合？

光看概念容易觉得抽象，下面我们通过两个简单的例子，直观看看 “容器、迭代器、算法” 这三者在实际代码中是怎么配合工作的。

示例 1：对 vector 元素排序

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

int main() {
    std::vector<int> nums = {5, 2, 4, 1, 3};
    std::sort(nums.begin(), nums.end());    // 升序排列

    for (int n : nums) {
        std::cout << n << ' ';
    }
    std::cout << '\n';
    return 0;
}

运行结果如下。

1 2 3 4 5

分析：

在这个例子中，我们先创建了一个保存 5 个整数的 vector 容器 nums，随后调用 <algorithm> 头文件中的 std::sort() 函数，并把起始位置 nums.begin() 和结束边界 nums.end() 传进去。

有了这套通用工具，我们就不需要手写双层循环去比较和交换元素，std::sort() 会自动把容器里的数据按从小到大的顺序排好。哪怕容器里装的数据类型变了，或者换用其他通用算法，这套 “容器 + 迭代器 + 算法” 的配合写法也完全一致。下面我们再来看一个例子。

示例 2：字符串排序与首尾反转

#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<std::string> langs = {"Python", "C++", "Go"};

    std::sort(langs.begin(), langs.end());       // 按字母升序
    for (const std::string& lang : langs) {
        std::cout << lang << ' ';
    }
    std::cout << '\n';

    std::reverse(langs.begin(), langs.end());    // 首尾反转
    for (const std::string& lang : langs) {
        std::cout << lang << ' ';
    }
    std::cout << '\n';
    return 0;
}

运行结果如下。

C++ Go Python
Python Go C++

分析：

上面代码中，容器内部的元素换成了 std::string 字符串，调用 std::sort() 后会自动按照首字母从 A 到 Z 的顺序排成 C++ Go Python。紧接着执行的 std::reverse() 则将容器中的元素原地首尾反转，同样只需要传入 begin() 和 end() 起止迭代器即可。

另外在范围 for 循环中，我们将循环变量写成常量引用 const std::string& lang。这样可以直接借用容器中的原字符串，避免每次循环都额外拷贝一份字符串。

C++ STL 常见容器分类

STL 提供的容器种类不少，如果孤立地去记每一个容器，很容易越学越乱。在 C++ 中，我们可以按 “数据在容器里怎么组织” 把常见容器分为 4 大类，如下表所示。

看到上面这么多容器名字，小伙伴们完全不用有记忆压力。在实际开发中，如果只是 “按顺序动态保存一组数据”，前面学过的 std::vector 依然是使用频率最高的首选工具。

学习其他 STL 容器，并不是为了把代码里的 vector 全部换掉，而是在遇到特定问题时有更合适的工具可用。比如需要自动过滤重复数据时，我们可以选用 std::set。而需要按 “键 → 值” 对应关系快速查数据时，选用 std::map 会比自己手写查找逻辑省事得多。