学懂C++（四十六）：深入探索C++ STL算法（Algorithms）：从基础到高级应用

本文主要是介绍学懂C++（四十六）：深入探索C++ STL算法（Algorithms）：从基础到高级应用，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

目录

引言

1. STL算法概述

2. 非修改性算法

2.1 std::find

2.2 std::count

3. 修改性算法

3.1 std::copy

3.2 std::replace

4. 排序算法

4.1 std::sort

4.2 std::stable_sort

5. 数值算法

5.1 std::accumulate

5.2 std::inner_product

6. 高级算法应用

6.1 std::transform

6.2 std::partial_sum

7. 适用场景

结论

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引言

        C++标准模板库（STL）中的算法是其强大的基石之一。它提供了一系列广泛用于各种数据处理的算法，这些算法与STL容器、迭代器一起使用，为开发者提供了高度灵活和高效的编程工具。本文将详细介绍STL中的常用算法，涵盖其概念、特点、核心点、实现方法和适用场景，并通过经典示例进行详细解析。

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1. STL算法概述

STL算法是一组通用算法的集合，用于操作序列。它们独立于容器，通过迭代器与任何容器一起使用。STL算法可分为以下几类：

1. 非修改性算法：如查找和计数。
2. 修改性算法：如复制、替换和删除。
3. 排序算法：如排序、合并和分区。
4. 数值算法：如求和和积。

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2. 非修改性算法

2.1 std::find

• 概念：查找指定范围内的第一个等于给定值的元素。
• 特点：线性时间复杂度O(n)。
• 核心点：从范围的起始位置到终止位置逐个比较元素。
• 实现：

#include <algorithm>
#include <vector>
#include <iostream>int main() {std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};auto it = std::find(vec.begin(), vec.end(), 3);if (it != vec.end()) {std::cout << "Element found: " << *it << std::endl;} else {std::cout << "Element not found" << std::endl;}return 0;
}

• 解析：std::find在vec的范围内查找值为3的元素，并返回一个指向该元素的迭代器。如果未找到，则返回vec.end()。

2.2 std::count

• 概念：统计指定范围内等于给定值的元素个数。
• 特点：线性时间复杂度O(n)。
• 核心点：遍历范围内的所有元素并计数。
• 实现：

#include <algorithm>
#include <vector>
#include <iostream>int main() {std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 3, 4, 5};int count = std::count(vec.begin(), vec.end(), 3);std::cout << "Count of 3: " << count << std::endl;return 0;
}

 

• 解析：std::count在vec的范围内统计值为3的元素个数，并返回计数结果。

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3. 修改性算法

3.1 std::copy

• 概念：将指定范围内的元素复制到另一个范围。
• 特点：线性时间复杂度O(n)。
• 核心点：确保目标范围有足够的空间容纳复制的元素。
• 实现：

#include <algorithm>
#include <vector>
#include <iostream>int main() {std::vector<int> vec1 = {1, 2, 3, 4, 5};std::vector<int> vec2(5);std::copy(vec1.begin(), vec1.end(), vec2.begin());for (int n : vec2) {std::cout << n << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

 

• 解析：std::copy将vec1的元素复制到vec2中，确保vec2有足够的空间存放这些元素。

3.2 std::replace

• 概念：将指定范围内等于给定值的元素替换为新值。
• 特点：线性时间复杂度O(n)。
• 核心点：遍历范围内的所有元素并进行替换。
• 实现：

#include <algorithm>
#include <vector>
#include <iostream>int main() {std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 3, 4, 5};std::replace(vec.begin(), vec.end(), 3, 9);for (int n : vec) {std::cout << n << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

 

• 解析：std::replace将vec范围内值为3的元素替换为9。

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4. 排序算法

4.1 std::sort

• 概念：对指定范围内的元素进行升序排序。
• 特点：平均时间复杂度O(n log n)。
• 核心点：使用快速排序、堆排序或插入排序的组合。
• 实现：

#include <algorithm>
#include <vector>
#include <iostream>int main() {std::vector<int> vec = {5, 2, 4, 3, 1};std::sort(vec.begin(), vec.end());for (int n : vec) {std::cout << n << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

 

• 解析：std::sort对vec的元素进行升序排序。

4.2 std::stable_sort

• 概念：对指定范围内的元素进行稳定排序，保证相等元素的相对顺序不变。
• 特点：时间复杂度O(n log n)。
• 核心点：通常实现为归并排序。
• 实现：

#include <algorithm>
#include <vector>
#include <iostream>int main() {std::vector<int> vec = {5, 2, 2, 3, 1};std::stable_sort(vec.begin(), vec.end());for (int n : vec) {std::cout << n << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

 

• 解析：std::stable_sort对vec的元素进行稳定排序。

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5. 数值算法

5.1 std::accumulate

• 概念：计算指定范围内元素的累积和。
• 特点：线性时间复杂度O(n)。
• 核心点：指定初始值和累加函数。
• 实现：

#include <numeric>
#include <vector>
#include <iostream>int main() {std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};int sum = std::accumulate(vec.begin(), vec.end(), 0);std::cout << "Sum: " << sum << std::endl;return 0;
}

 

• 解析：std::accumulate计算vec中所有元素的累积和，初始值为0。

5.2 std::inner_product

• 概念：计算两个范围内元素的内积。
• 特点：线性时间复杂度O(n)。
• 核心点：指定初始值和两个二元操作。
• 实现：

#include <numeric>
#include <vector>
#include <iostream>int main() {std::vector<int> vec1 = {1, 2, 3};std::vector<int> vec2 = {4, 5, 6};int product = std::inner_product(vec1.begin(), vec1.end(), vec2.begin(), 0);std::cout << "Inner product: " << product << std::endl;return 0;
}

 

• 解析：std::inner_product计算vec1和vec2的内积，初始值为0。

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6. 高级算法应用

6.1 std::transform

• 概念：对指定范围内的元素应用一个函数，并将结果存储到另一个范围。
• 特点：线性时间复杂度O(n)。
• 核心点：支持一元和二元操作。
• 实现：

#include <algorithm>
#include <vector>
#include <iostream>int main() {std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};std::vector<int> result(vec.size());std::transform(vec.begin(), vec.end(), result.begin(), [](int x) { return x * 2; });for (int n : result) {std::cout << n << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

 

• 解析：std::transform对vec的每个元素应用乘以2的操作，并将结果存储在result中。

6.2 std::partial_sum

• 概念：计算部分和，即每个元素是前面所有元素的累积和。
• 特点：线性时间复杂度O(n)。
• 核心点：指定初始值和累加函数。
• 实现：

#include <numeric>
#include <vector>
#include <iostream>int main() {std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};std::vector<int> result(vec.size());std::partial_sum(vec.begin(), vec.end(), result.begin());for (int n : result) {std::cout << n << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

 

• 解析：std::partial_sum计算vec的部分和，结果存储在result中。

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7. 适用场景

STL算法适用于各种数据处理任务，特别是需要高效和高可读性的场景。例如：

1. 简化代码：算法提供了高度抽象的接口，减少手动实现的复杂度。
2. 性能优化：很多算法都经过优化，可以在不同容器上以高效的方式运行。
3. 泛型编程：算法与迭代器结合，使代码具有高度的可重用性和灵活性。

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结论

        本文详细介绍了C++ STL中的常用算法，涵盖其概念、特点、核心点、实现方法和适用场景，并通过经典示例进行详细解析。通过掌握这些算法，开发者可以编写出更简洁、高效和可维护的代码，从而提高软件质量和开发效率。希望本文能对正在学习和使用C++ STL算法的开发者有所帮助。

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