C++ 10泛型算法

2021-08-14

泛型算法

因为它们实现共同的操作，所以称之为“算法”；而“泛型”、指的是它们可以操作在多种容器类型上
泛型算法本身不执行容器操作，只是单独依赖迭代器和迭代器操作实现
头文件： #include <algorithm>或者 #include <numeric>(算数相关)
大多数算法是通过遍历两个迭代器标记的一段元素来实现其功能
必要的编程假定：算法永远不会直接改变底层容器的大小。算法可能通过迭代器改变容器中保存的元素的值、移动元素、插入元素，但不能直接添加或者删除元素

find

vector<int>::const_iterator result = find(vec.begin(), vec.end(), search_value);
输入：两个标记范围的迭代器和目标查找值。返回：如果找到，返回对应的迭代器，否则返回第二个参数，即标记结尾的迭代器

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
const auto iter = std::find(vec.cbegin(), vec.cend(), 3);
if (iter != vec.end()) {
    std::cout << "find" << *iter <<  std::endl;
}

初识泛型算法

标准库提供了超过100个算法，但这些算法有一致的结构
理解算法的最基本的方法是了解它们是否读取元素、改变元素、重排元素顺序

只读算法

只读取范围中的元素，不改变元素
如 find和 accumulate（在numeric中定义，求和）
find_first_of，输入：两对迭代器标记两段范围，在第一段中找第二段中任意元素，返回第一个匹配的元素，找不到返回第一段的end迭代器
通常最好使用cbegin和cend
equal：确定两个序列是否保存相同的值

写容器元素的算法

一些算法将新值赋予序列中的元素
算法不检查写操作
fill： fill(vec.begin(), vec.end(), 0); 将每个元素重置为
fill_n： fill_n(vec.begin(), 10, 0);
插入迭代器back_inserter
- 用来确保算法有足够的空间存储数据
- #include <iterator>
- back_inserter(vec)
拷贝算法copy
输入：前两个参数指定输入范围，第三个指向目标序列
copy (ilst.begin(), ilst.end(), back_inserter(ivec));
copy时必须保证目标目的序列至少要包含与输入序列一样多的元素`

1
2
3

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
std::vector<int> vecnew(5);
copy(vec.cbegin(), vec.cend(), vecnew.begin());

重排容器元素的算法

这些算法会重排容器中元素的顺序
排序算法sort
- 接受两个迭代器，表示要排序的元素范围
消除重复unique
- 之前要先调用sort
- 返回的迭代器指向最后一个不重复元素之后的位置
- 顺序会变，重复的元素被“删除”
- 并没有真正删除，真正删除必须使用容器操作

bool descend(int a, int b) {
    return a < b;
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    std::vector<int> vec = {5, 5, 3, 2, 2, 1};
    std::sort(vec.begin(), vec.end(), descend);

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

    vec.erase(end, vec.end());

    for (auto &i : vec) {
        std::cout << i << std::endl;
    }
}

定制操作

向算法传递函数

谓词（predicate）
- 是一个可调用的表达式，返回结果是一个能用作条件的值
- 一元谓词：接受一个参数
- 二元谓词：接受两个参数
例子：
- stable_sort：
  - 保留相等元素的原始相对位置
  - stable_sort(words.begin(), words.end(), isShorter);

lambda表达式

有时可能希望操作可以接受更多的参数
lambda表达式表示一个可调用的代码单元，可以理解成是一个未命名的内联函数
形式：[capture list](parameter list) -> return type {function body}
- 其中capture list捕获列表是一个lambda所在函数定义的局部变量的列表（通常为空）。不可忽略
- return type是返回类型。可忽略
- parameter是参数列表。可忽略
- function body是函数体。不可忽略
- auto f = [] {return 42;}
例子：
- find_if
  - 接受一对表示范围的迭代器和一个谓词，用来查找第一个满足特定要求的元素。返回第一个使谓词返回非0值的元素
  - auto wc = find_if(words.begin(), words.end(), [sz](const string &a){return a.size() >= sz;});
- for_each
  - 接受一个可调用对象，并对序列中每个元素调用此对象
  - for_each(wc, words.end(), [](const string &s){cout << s << " ";})

lambda捕获和返回

定义lambda时会生成一个新的类类型和该类型的一个对象
默认情况下，从lambda生成的类都包含一个对应该lambda所捕获的变量的数据成员，在lambda对象创建时被初始化
值捕获：前提是变量可以拷贝，size_t v1 = 42; auto f = [v1] {return v1;};
引用捕获：必须保证在lambda执行时，变量是存在的，auto f2 = [&v1] {return v1;};
尽量减少捕获的数据量，尽可能避免捕获指针或引用
隐式捕获：让编译器推断捕获列表，在捕获列表中写一个&（引用方式）或=（值方式）。auto f3 = [=] {return v1;}

lambda捕获列表

捕获列表	解释
`[]`	空捕获列表。`lambda`不能使用所在函数中的变量。一个`lambda`只有在捕获变量后才能使用它们
`[names]`	`names`是一个逗号分隔的名字列表，这些名字都是在`lambda`所在函数的局部变量，捕获列表中的变量都被拷贝，名字前如果使用了`&`，则采用引用捕获方式
`[&]`	隐式捕获列表，采用引用捕获方式。`lambda`体中所使用的来自所在函数的实体都采用引用方式使用
`[=]`	隐式捕获列表，采用值捕获方式
`[&, identifier_list]`	`identifier_list`是一个逗号分隔的列表，包含0个或多个来自所在函数的变量。这些变量采用值捕获方式，而任何隐式捕获的变量都采用引用方式捕获。`identifier_list`中的名字前面不能使用`&`
`[=, identifier_list]`	`identifier_list`中的变量采用引用方式捕获，而任何隐式捕获的变量都采用值方式捕获。`identifier_list`中的名字不能包括`this`，且前面必须使用`&`

参数绑定

lambda表达式更适合在一两个地方使用的简单操作
如果是很多地方使用相同的操作，还是需要定义函数
函数如何包装成一元谓词？使用参数绑定
标准库bind函数：
- 定义在头文件functional中，可以看做为一个通用的函数适配器
- auto newCallable = bind(callable, arg_list);
- 我们再调用newCallable的时候，newCallable会调用callable并传递给它arg_list中的参数
- _n代表第n个位置的参数。定义在placeholders的命名空间中。using std::placeholder::_1;
- auto g = bind(f, a, b, _2, c, _1);，调用g(_1, _2)实际上调用f(a, b, _2, c, _1)
- 非占位符的参数要使用引用传参，必须使用标准库ref函数或者cref函数

再探迭代器

插入迭代器

插入器是一种迭代器适配器，接受一个容器，生成一个迭代器，能实现向给定容器添加元素
三种类型：
- back_inserter：创建一个使用push_back的迭代器
- front_inserter创建一个使用push_front的迭代器
- inserter创建一个使用insert的迭代器。接受第二个参数，即一个指向给定容器的迭代器，元素会被查到迭代器所指向的元素之前

插入迭代器操作

操作	解释
`it=t`	在`it`指定的当前位置插入值`t`。假定`c`是`it`绑定的容器，依赖于插入迭代器的不同种类，此赋值会分别调用`c.push_back(t)`、`c.push_front(t)`、`c.insert(t, p)`，其中`p`是传递给`inserter`的迭代器位置
`*it, ++it, it++`	这些操作虽然存在，但不会对`it`做任何事情，每个操作都返回`it`

iostream迭代器

迭代器可与输入或输出流绑定在一起，用于迭代遍历所关联的IO流
通过使用流迭代器，我们可以用泛型算法从流对象中读取数据以及向其写入数据

istream_iterator的操作

操作	解释
`istream_iterator<T> in(is);`	`in`从输入流`is`读取类型为`T`的值
`istream_iterator<T> end;`	读取类型是`T`的值的`istream_iterator`迭代器，表示尾后位置
`in1 == in2`	`in1`和`in2`必须读取相同类型。如果他们都是尾后迭代器，或绑定到相同的输入，则两者相等
`in1 != in2`	类似上条
`*in`	返回从流中读取的值
`in->mem`	与`*(in).mem`含义相同
`++in, in++`	使用元素类型所定义的`>>`运算符从流中读取下一个值。前置版本返回一个指向递增后迭代器的引用，后置版本返回旧值

ostream_iterator的操作

操作	解释
`ostream_iterator<T> out(os);`	`out`将类型为`T`的值写到输出流`os`中
`ostream_iterator<T> out(os, d);`	`out`将类型为`T`的值写到输出流`os`中，每个值后面都输出一个`d`。`d`指向一个空字符结尾的字符数组
`out = val`	用`<<`运算符将`val`写入到`out`所绑定的`ostream`中。`val`的类型必须和`out`可写的类型兼容
`*out, ++out, out++`	这些运算符是存在的，但不对`out`做任何事情。每个运算符都返回`out`

反向迭代器

反向迭代器就是在容器中从尾元素向首元素反向移动的迭代器
对于反向迭代器，递增和递减的操作含义会颠倒
实现向后遍历，配合rbegin和rend

泛型算法结构

5类迭代器

迭代器类别	解释	支持的操作
输入迭代器	只读，不写；单遍扫描，只能递增	`==`,`!=`,`++`,`*`,`->`
输出迭代器	只写，不读；单遍扫描，只能递增	`++`,`*`
前向迭代器	可读写；多遍扫描，只能递增	`==`,`!=`,`++`,`*`,`->`
双向迭代器	可读写；多遍扫描，可递增递减	`==`,`!=`,`++`,`--`,`*`,`->`
随机访问迭代器	可读写，多遍扫描，支持全部迭代器运算	`==`,`!=`,`<`,`<=`,`>`,`>=`,`++`,`--`,`+`,`+=`,`-`,`-=`,``,`->`,`iter[n]`==`(iter[n])`

算法的形参模式

alg(beg, end, other args);
alg(beg, end, dest, other args);
alg(beg, end, beg2, other args);
alg(beg, end, beg2, end2, other args);

其中，alg是算法名称，beg和end表示算法所操作的输入范围。dest、beg2、end2都是迭代器参数，是否使用要依赖于执行的操作

算法命名规范

一些算法使用重载形式传递一个谓词
接受一个元素值的算法通常有一个不同名的版本：加_if，接受一个谓词代替元素值
区分拷贝元素的版本和不拷贝的版本：拷贝版本通常加_copy

特定容器算法

对于list和forward_list，优先使用成员函数版本的算法而不是通用算法

list和forward_list成员函数版本的算法

操作	解释
`lst.merge(lst2)`	将来自`lst2`的元素合并入`lst`，二者都必须是有序的，元素将从`lst2`中删除
`lst.merge(lst2, comp)`	同上，给定比较操作
`lst.remove(val)`	调用`erase`删除掉与给定值相等(==)的每个元素
`lst.remove_if(pred)`	调用`erase`删除掉令一元谓词为真的每个元素
`lst.reverse()`	反转`lst`中元素的顺序
`lst.sort()`	使用`<`排序元素
`lst.sort(comp)`	使用给定比较操作排序元素
`lst.unique()`	调用`erase`删除同一个值的连续拷贝。使用`==`
`lst.unique(pred)`	调用`erase`删除同一个值的连续拷贝。使用给定的二元谓词

上面的操作都返回void

list和forward_list的splice成员函数版本的参数

参数	解释
`(p, lst2)`	`p`是一个指向`lst`中元素的迭代器，或者一个指向`flst`首前位置的迭代器。函数将`lst2`中的所有元素移动到`lst`中`p`之前的位置或是`flst`中`p`之后的位置。将元素从`lst2`中删除。`lst2`的类型必须和`lst`相同，而且不能是同一个链表
`(p, lst2, p2)`	同上，`p2`是一个指向`lst2`中位置的有效的迭代器，将`p2`指向的元素移动到`lst`中，或将`p2`之后的元素移动到`flst`中。`lst2`可以是于`lst`或`flst`相同的链表
`(p, lst2, b, e)`	`b`和`e`表示`lst2`中的合法范围。将给定范围中的元素从`lst2`移动到`lst`或`first`中。`lst2`与`lst`可以使相同的链表，但`p`不能指向给定范围中的元素

使用lst.splice(args)或flst.splice_after(args)