C++STL標準模板庫詳解

一、引言

STL（Standard Template Library）是 C++ 標準庫的核心組成部分，其中容器（Containers）?作為數據存儲的基礎組件，為開發者提供了豐富的數據結構選擇。本文將聚焦 STL 容器的核心類型，結合具體 C++ 代碼示例詳解其特性、用法及適用場景，幫助讀者在實際開發中精準選型。

二、序列容器（Sequence Containers）

序列容器按元素插入順序存儲數據，支持按位置訪問，是最常用的容器類型。

2.1?`std::vector`：動態數組

特性：內存連續存儲，支持隨機訪問，尾部插入 / 刪除高效，中間插入 / 刪除開銷大。
適用場景：需要頻繁隨機訪問、尾部操作的場景（如存儲動態列表、緩存數據）。

代碼示例：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;int main() {// 1. 初始化方式vector<int> vec1; // 空vectorvector<int> vec2(5, 10); // 5個元素，每個初始化為10vector<int> vec3 = {1, 2, 3, 4, 5}; // 初始化列表// 2. 尾部插入元素vec1.push_back(6);vec1.push_back(7);// 3. 隨機訪問（[]或at()）cout << "vec3[2] = " << vec3[2] << endl; // 輸出3cout << "vec3.at(3) = " << vec3.at(3) << endl; // 輸出4（帶越界檢查）// 4. 遍歷元素（迭代器）cout << "vec3元素：";for (vector<int>::iterator it = vec3.begin(); it != vec3.end(); ++it) {cout << *it << " ";}cout << endl;// 5. 容量與大小cout << "vec3大小：" << vec3.size() << endl; // 5cout << "vec3容量：" << vec3.capacity() << endl; // 至少5（動態擴容）// 6. 中間插入元素（效率較低）vec3.insert(vec3.begin() + 2, 99); // 在索引2處插入99cout << "插入后vec3[2] = " << vec3[2] << endl; // 輸出99return 0;
}

2.2?`std::list`：雙向鏈表

特性：非連續存儲，通過指針連接元素，任意位置插入 / 刪除高效，不支持隨機訪問。
適用場景：需要頻繁在中間插入 / 刪除元素的場景（如實現鏈表、隊列、鄰接表）。

代碼示例：

#include <iostream>
#include <list>
using namespace std;int main() {// 初始化列表list<int> lst = {3, 1, 4, 1, 5};// 1. 頭部/尾部操作lst.push_front(0); // 頭部插入0lst.push_back(6); // 尾部插入6// 2. 遍歷（不支持[]訪問，需迭代器）cout << "list元素：";for (auto it = lst.begin(); it != lst.end(); ++it) {cout << *it << " ";}cout << endl; // 輸出：0 3 1 4 1 5 6// 3. 中間插入/刪除auto it = lst.begin();advance(it, 2); // 移動迭代器到第2個元素（值為3的下一個元素1）lst.insert(it, 99); // 在1前插入99cout << "插入后元素：";for (int num : lst) { // 范圍for循環cout << num << " ";}cout << endl; // 輸出：0 3 99 1 4 1 5 6// 4. 刪除指定值的元素lst.remove(1); // 刪除所有值為1的元素cout << "刪除1后元素：";for (int num : lst) {cout << num << " ";}cout << endl; // 輸出：0 3 99 4 5 6return 0;
}

2.3?`std::deque`：雙端隊列

特性：分段連續內存，支持兩端高效插入 / 刪除，隨機訪問效率略低于 vector。
適用場景：需要頻繁在頭部和尾部操作的場景（如實現隊列、緩沖區）。

代碼示例：

#include <iostream>
#include <deque>
using namespace std;int main() {deque<int> dq;// 1. 兩端插入dq.push_back(10); // 尾部插入dq.push_front(5); // 頭部插入dq.push_back(20);dq.push_front(1);// 2. 隨機訪問cout << "dq[1] = " << dq[1] << endl; // 輸出5cout << "dq.at(2) = " << dq.at(2) << endl; // 輸出10// 3. 遍歷cout << "deque元素：";for (int num : dq) {cout << num << " ";}cout << endl; // 輸出：1 5 10 20// 4. 兩端刪除dq.pop_front(); // 刪除頭部元素1dq.pop_back(); // 刪除尾部元素20cout << "刪除后元素：";for (int num : dq) {cout << num << " ";}cout << endl; // 輸出：5 10return 0;
}

三、關聯容器（Associative Containers）

關聯容器基于鍵（Key）存儲元素，內部通常用紅黑樹實現，元素自動排序，支持高效查找。

3.1?`std::set`：有序唯一集合

特性：元素唯一且按升序排列，插入 / 查找 / 刪除時間復雜度 O (log n)。
適用場景：需要去重并保持有序的集合（如存儲唯一 ID、實現集合運算）。

代碼示例：

#include <iostream>
#include <set>
using namespace std;int main() {// 初始化（自動排序+去重）set<int> s = {5, 2, 8, 2, 5, 9};// 1. 插入元素s.insert(3);// 2. 遍歷（默認升序）cout << "set元素：";for (int num : s) {cout << num << " ";}cout << endl; // 輸出：2 3 5 8 9// 3. 查找元素auto it = s.find(5);if (it != s.end()) {cout << "找到元素：" << *it << endl;} else {cout << "未找到元素" << endl;}// 4. 刪除元素s.erase(8); // 刪除值為8的元素cout << "刪除8后元素：";for (int num : s) {cout << num << " ";}cout << endl; // 輸出：2 3 5 9return 0;
}

3.2?`std::map`：有序鍵值對映射

特性：鍵唯一且按升序排列，通過鍵快速訪問值，時間復雜度 O (log n)。
適用場景：需要鍵值對映射的場景（如字典、配置表、索引表）。

代碼示例：

#include <iostream>
#include <map>
#include <string>
using namespace std;int main() {// 初始化鍵值對（鍵為int，值為string）map<int, string> student;// 1. 插入元素（三種方式）student[101] = "Alice"; // 下標法student.insert(pair<int, string>(102, "Bob")); // pair插入student.emplace(103, "Charlie"); // emplace（更高效）// 2. 遍歷鍵值對cout << "學生信息：" << endl;for (auto& pair : student) { // 注意用引用避免拷貝cout << "學號：" << pair.first << "，姓名：" << pair.second << endl;}// 輸出：// 學號：101，姓名：Alice// 學號：102，姓名：Bob// 學號：103，姓名：Charlie// 3. 查找鍵對應的值int id = 102;auto it = student.find(id);if (it != student.end()) {cout << id << "對應的姓名：" << it->second << endl; // 輸出Bob}// 4. 刪除鍵student.erase(101);cout << "刪除101后學號101是否存在：" << (student.count(101) ? "是" : "否") << endl; // 輸出否return 0;
}

3.3?`std::multiset`?與?`std::multimap`：允許重復鍵

特性：multiset?允許重復元素，multimap?允許重復鍵，均有序排列。
適用場景：需要存儲重復元素 / 鍵的場景（如統計頻率、一對多映射）。

代碼示例（`multimap`）：

#include <iostream>
#include <map>
#include <string>
using namespace std;int main() {// 課程-學生映射（一門課對應多個學生）multimap<string, string> course;// 插入重復鍵course.insert({"Math", "Alice"});course.insert({"Math", "Bob"});course.insert({"Physics", "Charlie"});course.insert({"Math", "David"});// 1. 遍歷所有鍵值對cout << "所有課程學生：" << endl;for (auto& pair : course) {cout << pair.first << "：" << pair.second << endl;}// 2. 查找特定鍵的所有值string key = "Math";cout << "\n" << key << "的學生：" << endl;auto range = course.equal_range(key); // 獲取鍵為Math的范圍for (auto it = range.first; it != range.second; ++it) {cout << it->second << endl; // 輸出Alice、Bob、David}return 0;
}

四、無序關聯容器（Unordered Associative Containers）

C++11 引入，基于哈希表實現，元素無序，平均插入 / 查找 / 刪除時間復雜度 O (1)。

4.1?`std::unordered_set`：無序唯一集合

特性：元素唯一、無序，哈希表存儲，查找效率極高（無排序開銷）。
適用場景：只需去重和快速查找，不關心順序的場景（如黑名單、存在性判斷）。

代碼示例：

#include <iostream>
#include <unordered_set>
using namespace std;int main() {unordered_set<string> fruits = {"apple", "banana", "orange"};// 1. 插入元素fruits.insert("grape");// 2. 遍歷（無序）cout << "無序集合元素：";for (auto& fruit : fruits) {cout << fruit << " ";}cout << endl; // 輸出順序不確定// 3. 快速查找string target = "banana";if (fruits.count(target)) { // count()判斷存在性cout << target << " 存在于集合中" << endl;}return 0;
}

4.2?`std::unordered_map`：無序鍵值對映射

特性：鍵唯一、無序，哈希表存儲，適合高頻查找場景。
適用場景：需要快速鍵值映射且不關心順序的場景（如緩存、哈希表）。

代碼示例：

#include <iostream>
#include <unordered_map>
#include <string>
using namespace std;int main() {// 姓名-年齡映射（無序）unordered_map<string, int> age;age["Alice"] = 20;age["Bob"] = 22;age["Charlie"] = 21;// 1. 遍歷（無序）cout << "姓名-年齡：" << endl;for (auto& pair : age) {cout << pair.first << "：" << pair.second << endl;}// 2. 查找效率對比（哈希表 vs 紅黑樹）// 對于高頻查找，unordered_map性能優于mapcout << "Bob的年齡：" << age["Bob"] << endl;return 0;
}

五、容器適配器（Container Adapters）

基于基礎容器封裝的特殊接口，簡化特定場景使用。

5.1?`std::stack`：棧（LIFO）

特性：后進先出，基于 deque 默認實現，支持push（入棧）、pop（出棧）、top（取棧頂）。
適用場景：表達式求值、括號匹配、深度優先搜索（DFS）。

代碼示例：

#include <iostream>
#include <stack>
using namespace std;int main() {stack<int> st;// 入棧st.push(1);st.push(2);st.push(3);// 棧頂元素cout << "棧頂元素：" << st.top() << endl; // 輸出3// 出棧st.pop(); // 刪除棧頂元素3cout << "出棧后棧頂：" << st.top() << endl; // 輸出2// 棧大小cout << "棧大小：" << st.size() << endl; // 輸出2return 0;
}

5.2?`std::queue`：隊列（FIFO）

特性：先進先出，基于 deque 默認實現，支持push（入隊）、pop（出隊）、front（隊首）。
適用場景：任務調度、廣度優先搜索（BFS）、消息隊列。

代碼示例：

#include <iostream>
#include <queue>
using namespace std;int main() {queue<string> q;// 入隊q.push("任務1");q.push("任務2");q.push("任務3");// 隊首元素cout << "隊首任務：" << q.front() << endl; // 輸出任務1// 出隊q.pop(); // 移除任務1cout << "出隊后隊首：" << q.front() << endl; // 輸出任務2// 隊列大小cout << "隊列大小：" << q.size() << endl; // 輸出2return 0;
}

5.3?`std::priority_queue`：優先隊列

特性：元素按優先級排序（默認最大元素優先），基于 vector 默認實現。
適用場景：定時器、任務調度（高優先級先執行）、最大 / 最小堆場景。

代碼示例：

#include <iostream>
#include <queue>
using namespace std;int main() {// 最大優先隊列（默認）priority_queue<int> maxHeap;maxHeap.push(3);maxHeap.push(1);maxHeap.push(5);cout << "最大堆頂：" << maxHeap.top() << endl; // 輸出5// 最小優先隊列（通過greater<>實現）priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> minHeap;minHeap.push(3);minHeap.push(1);minHeap.push(5);cout << "最小堆頂：" << minHeap.top() << endl; // 輸出1return 0;
}

六、容器選型決策指南

容器類型	核心特性	時間復雜度（插入 / 查找 / 刪除）	適用場景
`vector`	連續內存，隨機訪問	尾部 O (1)，中間 O (n) / O (1)	隨機訪問、尾部操作多
`list`	雙向鏈表，任意位置操作高效	O(1) / O(n)	頻繁中間插入 / 刪除
`deque`	雙端操作高效，隨機訪問	兩端 O (1) / O (1)	雙端頻繁操作
`set`/`map`	有序，唯一鍵，紅黑樹	O(log n) / O(log n)	有序集合、鍵值映射，需排序
`unordered_set`/`unordered_map`	無序，哈希表	平均 O (1) / 平均 O (1)	高頻查找，不關心順序
`stack`/`queue`	適配器，LIFO/FIFO	O(1)	棧 / 隊列特定場景
`priority_queue`	優先級排序	O(log n)	高優先級任務調度