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【C++21天養成計劃】STL演算法超全整理！（Day18）

2020-10-06 17:20:35 其他

大家好！我是【AI 菌】，一枚不熬夜的程式員，我熱愛AI、熱愛分享、熱愛開源！ 這博客是我對學習的一點總結與思考，如果您也對 深度學習、機器視覺、演算法、Python、C++ 感興趣，可以關注我的動態，我們一起學習，一起進步~
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文章目錄

    • 一、什么是STL演算法
    • 二、常用的STL演算法匯總
      • 2.1 非變序演算法
      • 2.2 變序演算法
    • 三、STL 常用演算法示例
      • 3.1 根據值或條件查找元素find()
      • 3.2 計算包含給定值或滿足給定條件的元素數count()
      • 3.3 在集合中搜索元素或序列search()
      • 3.4 將容器中的元素初始化為指定值fill()
    • 四、STL 進階演算法示例
      • 4.1 復制操作copy()
      • 4.2 洗掉操作erase()
      • 4.3 替換操作replace()
      • 4.4 排序操作sort()
      • 4.5 洗掉重復元素操作unique()
      • 4.6 插入元素操作insert()
    • 養成習慣，先贊后看！你的支持是我創作的最大動力！

一、什么是STL演算法

所謂STL，就是標準模板庫，標準模板庫為我們提供了易于使用的容器，比如我們前面已經學習過的 list、stack、queue、vector、string、set 和 map 類都屬于STL，

STL 還為我們提供了一部分易于使用的通用函式，這些函式位于頭檔案 < a l g o r i t h m > <algorithm> <algorithm>中，它和容器類的成員函式一樣，能高效地幫助我們操作容器中的內容，

在這里插入圖片描述
在程式設計程序中，經常會用法查找、搜索、洗掉和計數等演算法，C++中，STL通過通用的模板函式提供了這些演算法和其他的很多演算法，可通過迭代器對容器進行操作，這些通用的模板函式就是所說的STL演算法，在使用STL演算法之前，必須在程式開頭加上頭檔案：

#include <algorithm>

二、常用的STL演算法匯總

STL演算法可以分為兩大類：非變序演算法和變序演算法，

2.1 非變序演算法

所謂非變序演算法就是：不改變容器中元素的順序和內容的演算法，

下面總結一些常用的非變序演算法：

(1) 計數演算法

演算法描述
count在指定范圍內，查找值與指定值匹配的所有元素
count_if在指定范圍內，查找值滿足指定條件的所有元素

(2) 搜索演算法

演算法描述
search在目標范圍內，根據元素相等性（或指定二元謂詞）搜索第一個滿足條件的元素
search_n在目標范圍內，搜索與指定值相等或滿足指定謂詞的n個元素
find在給定范圍內，搜索與指定值匹配的第一個元素
find_if在給定范圍內，搜索滿足指定條件的第一個元素
find_end在指定范圍內，搜索最后一個滿足特定條件的元素
find_first_of在目標范圍內，搜索指定序列中的任何一個元素第一次出現的位置；在另一個多載版本中，它搜索滿足指定條件的第一個元素
adjacent_find在集合中搜索兩個相等或滿足指定條件的元素

(3) 比較演算法

演算法描述
equal比較兩個元素是否相等或使用指定的二元謂詞判斷連兩者是否相等
mismatch使用指定的二元謂詞找出兩個元素范圍的第一個不同的地方

2.2 變序演算法

變序演算法改變其操作的序列的元素或者內容，下面我將列出一些最常用的變序演算法：

(1) 初始化演算法

演算法描述
fill將指定值分配給，指定范圍中的每個元素
fill_n將指定值分配給，指定范圍中的前n個每個元素

(2) 修改演算法

演算法描述
for_each對指定范圍內的每個元素，執行指定的操作
transform對指定范圍內的每個元素，執行指定的一元函式

(3) 復制演算法

演算法描述
copy將一個范圍復制到另一個范圍
copy_backward將一個范圍復制到另一個范圍，但在目標范圍中將元素的排列順序反轉

(4) 洗掉演算法

演算法描述
remove將指定范圍中包含指定的值洗掉
remove_if將指定范圍中滿足指定一元謂詞的元素洗掉
remove_copy將源范圍中除包含指定值外的所有元素復制到目標范圍
remove_copy_if將源范圍中除滿足指定一元謂詞外的所有元素復制到目標范圍
unique比較指定范圍內的相鄰元素，并洗掉重復的元素
unique_copy將源范圍內的所有元素復制到目標范圍，但相鄰的重復元素除外

(5) 替換演算法

演算法描述
replace用一個值來替換指定范圍中與指定值匹配的所有元素
replace_if用一個值來替換指定范圍中滿足指定條件的所有元素

(6) 排序演算法

演算法描述
sort使用指定的排序標準，對指定范圍內的元素進行排序，排序標準由二元謂詞提供
stable_sort類似于sort，但在排序時保持相對順序不變
partial_sort將源范圍內指定數量的元素排序
partial_sort_copy將源范圍內的元素復制到目標范圍，同時對它們進行排序

(7) 磁區演算法

演算法描述
partition在指定范圍內，將元素分為兩組：滿足指定一元謂詞的元素放在第一個組中，其他元素放在第二個組中，不一定會保持集合中元素的相對位順序
stable_partition與partition一樣，將指定范圍分為兩組，但保持元素的相對順序不變

(8) 可用于排序容器的演算法

演算法描述
binary_search用于判斷一個元素是否存在于一個排序集合中
lower_bound根據元素的值或二元謂詞判斷元素可能插入到排序集合中的第一個位置，并回傳一個指向該位置的迭代器
upper_bound根據元素的值或二元謂詞判斷元素可能插入到排序集合中的最后一個位置，并回傳一個指向該位置的迭代器

三、STL 常用演算法示例

3.1 根據值或條件查找元素find()

find()可用于在vector等容器中查找與值匹配的元素，用法如下：

auto iElement = find(vec.begin(), vec.end(), NumToFind);
// 判斷查找是否成功
if(iElement != vec.end())
	cout<<"Result:Value Found!"<<endl;

find_if()的用法與此類似，但需要通過第三個引數提供一個一元謂詞（回傳true或false的一元函式），用法如下：

// 查找偶數
auto iElement = find_if(vec.begin(), vec.end(), [](int element){return (element % 2)==0;});
// 判斷是否查找成功
if(iElement != vec.end())
	cout<<"Result:Value found!"<<endl;

下面我們就來實戰演練一下，使用find()在vector中查找一個整數，并使用find_if()以及一個用lambda運算式表示的一元謂詞查找第一個偶數：

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

//display vector
	void Display(vector<int> vec)
	{
		for(int i=0; i<vec.size(); i++)
			cout<<vec[i]<<" ";
		cout<<endl;
	}
	
int main()
{	
	vector<int> vecIntegers;
	for(int value = 0; value<10; ++value)
		vecIntegers.push_back(value);
	cout<<"原始的vecIntegers是:"<<endl;
	Display(vecIntegers);
	
	// 查找vecIntegers中元素為5的值，回傳迭代器的位置 
	auto iElement = find(vecIntegers.begin(),vecIntegers.end(),5);
	if(iElement != vecIntegers.end())
		cout<<"查找到該值："<<*iElement<<endl;
	else
		cout<<"沒有查找到該值" <<endl;
		
	// 查找第一個偶數元素
	auto iElement1 = find_if(vecIntegers.begin(), vecIntegers.end(), [](int element){return (element % 2)==0;});
	if(iElement1 != vecIntegers.end())
		cout<<"第一個偶數元素是："<<*iElement1<<endl;
	else
		cout<<"沒有查找到偶數元素" <<endl;	
	return 0;
}

運行結果：
在這里插入圖片描述

3.2 計算包含給定值或滿足給定條件的元素數count()

count()和count_if()計算給定范圍內的元素數，find()計算包含給定值的元素值：

size_t nNumZero = count(vec.begin(), vec.end(), 0);
cout<<"陣列vec中值為0的個數："<<nNumZero<<endl;

count_if()計算這樣的元素數，即滿足通過引數傳遞的一元謂詞（可以是函式物件，也可以是lambda運算式）：

template <typename elementType>

// 判斷是否是偶數
bool IsEven(const elementType& number)
{
	return((number % 2) == 0);
}
// 計算偶數的個數
size_t nNumEvenElements = count_if(vec.begin(), vec.end(), IsEven <int>);
cout<<"陣列vec中偶數的個數："<<nNumEvenElements<<endl;

下面實戰演練一下，使用count()和count_if()分別計算有多少個元素包含指定值和滿足指定條件：

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

using namespace std;
template <typename elementType>

bool IsEven(const elementType& number)
{
	return((number % 2) == 0);
}

void Display(vector<int> vec)
{
	for(int i=0; i<vec.size(); i++)
		cout<<vec[i]<<" ";
}

int main()
{
	vector <int> vec;
	
	for(int i=0; i<10; ++i)
		vec.push_back(i);
		
	cout<<"陣列vec：";	
	Display(vec);
	cout<<endl<<endl;
	// 使用count()統計陣列中0的個數 
	size_t nNumZero = count(vec.begin(), vec.end(), 0);
	cout<<"陣列vec中的0的個數："<<nNumZero<<endl<<endl;
	// 使用count_if()統計滿足偶數條件的值的個數 
	size_t nNumEvenElements = count_if(vec.begin(), vec.end(), IsEven <int>);
	cout<<"陣列vec中偶數的個數："<<nNumEvenElements<<endl;
	
	return 0;
}

運行結果：
在這里插入圖片描述

3.3 在集合中搜索元素或序列search()

前面學習的find()可以在容器中查找元素，但有時需要查找一個序列或模式；在這種情況下，應該使用serach()和search_n()，

  • search()用于在一個序列中查找另一個序列，比如在陣列vec中查找list序列的位置：
auto iRange = search(vec.begin(), vec.end(), list.begin(), list.end());
  • search_n()用于在一個容器中查找n個相鄰的指定值：
// 尋找999在陣列vec中出現的位置
auto iRange = search_n(vec,begin(), vec.end(), 3, 9)

這兩個函式都回傳一個迭代器，它指向找到的第一個位置，使用該迭代器之前，務必將其與end()進行比較，下面將演示search()和search_n()的用法：

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

using namespace std;

template <typename T>

void Display(const T& Input)
{
	for(auto i=Input.begin(); i!=Input.end(); ++i)
		cout<<*i<<" ";
	cout<<endl<<endl;
} 

int main()
{
	vector <int> vec;
	for(int i=0; i<10; i++)
		vec.push_back(i);
	
	vec.push_back(9);
	vec.push_back(9);
	cout<<"vec = ";
	Display(vec);
	
	list <int> listNums;
	for(int j=5; j<=8; ++j)
		listNums.push_back(j);
	cout<<"listNums = "; 
	Display(listNums);
	
	cout<<"serach()用法示例：" <<endl;
	auto iRange = search(vec.begin(), vec.end(), listNums.begin(), listNums.end());
	if(iRange != vec.end())
		cout<<"listNUms found in vec at position: "<<distance (vec.begin(), iRange)<<endl<<endl; 
	else 
		cout<<"vec中不存在這樣的listNums！"<<endl;
	
	cout<<"search_n()用法示例："<<endl;	
	auto iFound = search_n(vec.begin(), vec.end(), 3, 9);
	if(iFound != vec.end())
		cout<<"999 found in vec at position: "<<distance(vec.begin(), iFound)<<endl;
	else
		cout<<"999 isn't in vec!"<<endl; 
	 
	return 0;
}

運行結果：
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3.4 將容器中的元素初始化為指定值fill()

STL演算法提供了兩個常用的函式來完成此任務：

  • fill()將指定范圍內的元素設定為指定值
  • fill_n()將n個元素設定為指定的值，接受的引數包括：起始位置、元素的個數以及設定的值，

下面就實戰演練一下，使用fill()和fill_n()設定容器中元素的初始值，

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

using namespace std;
void Display(vector <int> vec)
{
	for(int i=0; i<vec.size(); i++)
		cout<<vec[i]<<" ";
	cout<<endl;
	
} 

int main()
{
	// 初始化長度為3的陣列 
	vector <int> vec(3);
	// 用9填滿容器 
	fill(vec.begin(), vec.end(), 9);
	Display(vec);
	
	vec.resize(6);
	Display(vec);
	// 從第三個元素之后，填3個-9
	fill_n(vec.begin()+3, 3, -9); 
	Display(vec);
	
	return 0;
}

運行結果：
在這里插入圖片描述

四、STL 進階演算法示例

4.1 復制操作copy()

STL 主要提供了兩個重要的復制函式：copy() 和 copy_if()

  • copy()沿向前的方向將源范圍的內容賦給目標范圍，回傳的iPos是復制后，迭代器在vec中的位置：
auto iPos = copy(List.begin()  // 復制源的起始位置
			   , List.end()    // L復制源的最終位置
			   , vec.begin());  // 復制到vec的起始位置
  • copy_if()僅在指定的一元謂詞回傳true時才復制元素：
copy_if(List.begin() //復制源的起始位置
	  , List.end()  //復制源的最終位置
	  , iPos;  // 復制到指定容器的位置
	  ,  [](int i){return ((i % 2)==1);});  //一元謂詞，選取指定條件的元素執行復制操作

下面舉一個簡單的例子，來演示一下用法：

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

template <typename T>
void Display(const T& Input)
{
	for(auto i=Input.begin(); i!=Input.end(); ++i)
		cout<< *i << " ";
	cout<<endl;
}

int main()
{
	list <int> List;
	for(int i=0; i<10; ++i)
		List.push_back(i);
	cout<<"List = ";
	Display(List);
	
	// 初始化陣列 
	vector <int> vec(20);
	
	// 將List復制給vec，并回傳復制后迭代器的位置 
	auto iPos = copy(List.begin(), List.end(), vec.begin());
	
	// 將List中的奇數按順序復制到vec 
	copy_if(List.begin(), List.end(), iPos, [](int i){return ((i % 2)==1);});
	cout<<"vec = "; 
	Display(vec);
	
	return 0;
}

運行結果：
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4.2 洗掉操作erase()

STL 中也提供了兩個重要的洗掉操作函式：remove() 和 remove_if()

  • remove()將容器中與指定值匹配的元素洗掉：
// 洗掉vec中值為0的全部元素
auto iRemove = remove(vec.begin(), vec.end(), 0);
  • remove_if()使用一個一元謂詞，并將容器中滿足該謂詞的元素洗掉：
// 洗掉vec中的所有奇數
iRemove = remove_if(vec,begin(), vec.end(), [](int i){return ((i % 2)==1);});

下面舉一個簡單的例子，來演示一下用法：

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

template <typename T>
void Display(const T& Input)
{
	for(auto i=Input.begin(); i!=Input.end(); ++i)
		cout<< *i << " ";
	cout<<endl;
}

int main()
{
	vector <int> vec;
	for(int i=0; i<10; ++i)
		vec.push_back(i);
	cout<<"vec = ";
	Display(vec);
	
	cout<<"洗掉所有值為0的元素:"<<endl;
	auto iRemove = remove(vec.begin(), vec.end(), 0);
	vec.erase(iRemove, vec.end());	
	Display(vec);
	
	cout<<"洗掉所有的奇數:"<<endl; 
	iRemove = remove_if(vec.begin(),vec.end(),[](int i){return ((i % 2)==1);});
	vec.erase(iRemove, vec.end());	
	Display(vec);

	return 0;
}

運行結果：
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4.3 替換操作replace()

STL 中也提供了兩個重要的替換操作函式：replace() 和 replace_if()

  • replace()用于替換集合中等于指定值的元素：
// 將vec中的值為1的元素全部替代為2
replace(vec.begin(), vec.end(), 1, 2);
  • replace_if()用于替換集合中滿足指定條件的元素：
// 將vec中的值為偶數的元素全部替代為0
replace_if(vec.begin(), vec.end(), [](int i){return ((i % 2)==0);}, 0);

下面舉一個簡單的例子，來演示一下用法：

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

using namespace std;

void Display(vector<int> vec)
{
	for(int i=0; i<vec.size(); ++i)
	{
		cout<<vec[i]<<" "; 
	}
	cout<<endl;
}

int main()
{
	vector <int> vec(10, 1);
	cout<<"vec ="; 
	Display(vec);
	
	cout<<"將vec中的值為1的元素全部替代為2：" <<endl;
	replace(vec.begin(), vec.end(), 1, 2);
	Display(vec);
	
	cout<<"將vec中的值為偶數的元素全部替代為0：" <<endl;
	replace_if(vec.begin(), vec.end(), [](int i){return ((i % 2)==0);}, 0);
	Display(vec);
	
	return 0;
}

運行結果：
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4.4 排序操作sort()

為了方便對一組資訊進行排序，C++ STL演算法專門提供了sort()函式，下面舉例幾種sort()的常用情況：

  • 默認情況下，sort()進行升序排序，方法如下：
// 對vec中的元素進行升序排序
sort(vec.begin(), vec.end());
  • 如果要改變默認的排序標注，需要專門指定謂詞；比如下面進行降序排序：
// 對vec中的元素進行降序排序
sort(vec.begin(), vec.end(), [](int a, int b){return(a>b);});

同樣，也可以用如下方式實作：

// 自定義降序排序謂詞
bool compare(int a, int b){  
	return a>b;   
}
// 對vec中的元素進行降序排序
sort(vec.begin(), vec.end(), compare);
  • 除了對整型陣列進行排序，也可以對字串進行排序，
bool compare(string s1, string s2){
	return s1 > s2;
}
sort(arr_str.begin(), arr_str.end(), compare)

下面舉一個簡單的例子，來演示一下用法：

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

using namespace std;

template <typename T>
void Display(const T& Input)
{
	for(auto i=Input.begin(); i!=Input.end(); ++i)
		cout<< *i << " ";
	cout<<endl;
}

int main()
{
	vector<int> vecNums;
	for(int i=0; i<10; ++i)
		vecNums.push_back(i);
	cout<<"vecNums = ";
	Display(vecNums);
	
	cout<<"降序排序："<<endl;
	sort(vecNums.begin(), vecNums.end(), [](int a, int b){return(a>b);});
	Display(vecNums);
	
	
	return 0;
}

運行結果：
在這里插入圖片描述
下面演示一下，對字串陣列使用sort()的例子：

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

using namespace std;

template <typename T>
void Display(const T& Input)
{
	for(auto i=Input.begin(); i!=Input.end(); ++i)
		cout<< *i << endl;
	cout<<endl;
}

int main()
{
	vector<string> vecNames;
	vecNames.push_back("Jack");
	vecNames.push_back("Bob");
	vecNames.push_back("Dove");
	vecNames.push_back("Anna");
	cout<<"原始的vecNames："<<endl;
	Display(vecNames);
	 
	cout<<"升序排序:"<<endl; 
	sort(vecNames.begin(), vecNames.end()); 
	Display(vecNames);
	
	cout<<"降序排序:"<<endl;  
	sort(vecNames.begin(), vecNames.end(), [](string a, string b){return(a>b);});
	Display(vecNames);
	
	return 0;
}

運行結果：
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4.5 洗掉重復元素操作unique()

在容器中，如果有重復的元素；可以使用STL演算法中的unique()洗掉相鄰的重復值：

auto iDel = unique(vec.begin(), vec.end())
vec.erase(iDel, vec.end());

下面舉一個簡單的例子，來演示一下用法：

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

using namespace std;

template <typename T>
void Display(const T& Input)
{
	for(auto i=Input.begin(); i!=Input.end(); ++i)
		cout<< *i << endl;
	cout<<endl;
}

int main()
{
	vector<string> vecNames;
	vecNames.push_back("Jack");
	vecNames.push_back("Bob");
	vecNames.push_back("Dove");
	vecNames.push_back("Jack");
	cout<<"原始的vecNames："<<endl;
	Display(vecNames);
	
	cout<<"洗掉陣列中重復的元素："<<endl;
	auto iDel = unique(vecNames.begin(), vecNames.end());
	vecNames.erase(iDel, vecNames.end());
	Display(vecNames);
	
	cout<<"升序排序:"<<endl; 
	sort(vecNames.begin(), vecNames.end()); 
	Display(vecNames);
	
	cout<<"洗掉陣列中重復的元素："<<endl;
	auto iDel0 = unique(vecNames.begin(), vecNames.end());
	vecNames.erase(iDel0, vecNames.end());
	Display(vecNames);
	
	return 0;
}

運行結果：
在這里插入圖片描述
分析：

第一次使用unique()并沒有洗掉重復的元素"Jack"；但是，經過升序排序后，第二次再使用uniqueI()成功洗掉了重復的元素，這是因為，經過排序后，兩個Jack成了相鄰的元素，而unique()恰恰洗掉的是相鄰的元素，對于不相鄰的元素并無作用，

4.6 插入元素操作insert()

使用insert()在容器指定位置執行插入操作時，需要先知道待插入的位置，大多數情況下，我們可以使用find()找到待插入元素的位置，這里介紹另外一種方法，使用STL提供的 lower_bound() 和 upper_bound() 確定待插入元素位置，

  • 使用lower_bound()在指定元素前插入新的元素
auto iMinPos = lower_bound(vecNames.begin(), vecNames.end(), "Dove");
vecNames.insert(iMinPos, "Lucy");
  • 使用upper_bound()在指定元素后插入新的元素
auto iMaxPos = upper_bound(vecNames.begin(), vecNames.end(), "Dove");
vecNames.insert(iMaxPos, "Lucy");

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

using namespace std;

template <typename T>
void Display(const T& Input)
{
	for(auto i=Input.begin(); i!=Input.end(); ++i)
		cout<< *i << endl;
	cout<<endl;
}

int main()
{
	vector<string> vecNames;
	vecNames.push_back("Jack");
	vecNames.push_back("Bob");
	vecNames.push_back("Dove");
	vecNames.push_back("Jack");
	cout<<"原始的vecNames："<<endl;
	Display(vecNames);
	
	cout<<"升序排序:"<<endl; 
	sort(vecNames.begin(), vecNames.end()); 
	Display(vecNames);

	cout<<"在Dove前插入新的元素：Lucy"<<endl;
	auto iMinPos = lower_bound(vecNames.begin(), vecNames.end(), "Dove");
	vecNames.insert(iMinPos, "Lucy");
	
	//在Dove后插入新的元素 
	//auto iMaxPos = upper_bound(vecNames.begin(), vecNames.end(), "Dove");
	//vecNames.insert(iMaxPos, "Lucy");
	
	Display(vecNames);
	return 0;
}

運行結果：

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今天的分享就到這里啦，希望對你的學習有所幫助！

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養成習慣，先贊后看！你的支持是我創作的最大動力！

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