C++ Primer学习笔记——$4 vector类、迭代器、bitset类

技术2023-03-29 36

题记：本系列学习笔记（C++ Primer学习笔记）主要目的是讨论一些容易被大家忽略或者容易形成错误认识的内容。只适合于有了一定的C++基础的读者（至少学完一本C++教程）。作者： tyc611, 2007-01-15

本文主要讨论C++ 标准库中vector类、迭代器、bitset类的使用。如果文中有错误或遗漏之处，敬请指出，谢谢！

vector容器类型

vector容器是一个模板类，可以存放任何类型的对象（但必须是同一类对象）。vector对象可以在运行时高效地添加元素，并且vector中元素是连续存储的。与对string类对象的介绍一样，仍然使用简化原型（主要是抛弃了分配器模板参数，使用默认的）。 vector的构造函数原型： template<typename T> explicit vector(); // 默认构造函数，vector对象为空 explicit vector(size_type n, const T& v = T()); // 创建有n个元素的vector对象 vector(const vector& x); vector(const_iterator first, const_iterator last); 注：vector容器内存放的所有对象都是经过初始化的。如果没有指定存储对象的初始值，那么对于内置类型将用0初始化，对于类类型将调用其默认构造函数进行初始化（如果有其它构造函数而没有默认构造函数，那么此时必须提供元素初始值才能放入容器中）。举例： vector<string> v1; // 创建空容器，其对象类型为string类 vector<string> v2(10); // 创建有10个具有初始值（即空串）的string类对象的容器 vector<string> v3(5, "hello"); // 创建有5个值为“hello”的string类对象的容器 vector<string> v4(v3.begin(), v3.end()); // v4是与v3相同的容器（完全复制） vector的操作（下面的函数都是成员函数） bool empty() const; // 如果为容器为空，返回true；否则返回false size_type max_size() const; // 返回容器能容纳的最大元素个数 size_type size() const; // 返回容器中元素个数 size_type capacity() const; // 容器能够存储的元素个数，有：capacity() >= size() void reserve(size_type n); // 确保capacity() >= n void resize(size_type n, T x = T()); // 确保返回后，有：size() == n；如果之前size()<n，那么用元素x的值补全。 reference front(); // 返回容器中第一个元素的引用（容器必须非空） const_reference front() const; reference back(); // 返回容器中最后一个元素的引用（容器必须非空） const_reference back() const; reference operator[](size_type pos); // 返回下标为pos的元素的引用（下标从0开始；如果下标不正确，则属于未定义行为。 const_reference operator[](size_type pos) const; reference at(size_type pos); // 返回下标为pos的元素的引用；如果下标不正确，则抛出异常out_of_range const_reference at(size_type pos) const; void push_back(const T& x); // 向容器末尾添加一个元素 void pop_back(); // 弹出容器中最后一个元素（容器必须非空） // 注：下面的插入和删除操作将发生元素的移动（为了保持连续存储的性质），所以之前的迭代器可能失效 iterator insert(iterator it, const T& x = T()); // 在插入点元素之前插入元素（或者说在插入点插入元素） void insert(iterator it, size_type n, const T& x); // 注意迭代器可能不再有效（可能重新分配空间） void insert(iterator it, const_iterator first, const_iterator last); iterator erase(iterator it); // 删除指定元素，并返回删除元素后一个元素的位置（如果无元素，返回end()） iterator erase(iterator first, iterator last); // 注意：删除元素后，删除点之后的元素对应的迭代器不再有效。 void clear() const; // 清空容器，相当于调用erase( begin(), end()) void assign(size_type n, const T& x = T()); // 赋值，用指定元素序列替换容器内所有元素 void assign(const_iterator first, const_iterator last); const_iterator begin() const; // 迭代序列 iterator begin(); const_iterator end() const; iterator end(); const_reverse_iterator rbegin() const; reverse_iterator rbegin(); const_reverse_iterator rend() const; reverse_iterator rend(); vector对象的比较（非成员函数）针对vector对象的比较有六个比较运算符：operator==、operator!=、operator<、operator<=、operator>、operator>=。其中，对于operator==和operator!=，如果vector对象拥有相同的元素个数，并且对应位置的元素全部相等，则两个vector对象相等；否则不等。对于operator<、operator<=、operator>、operator>=，采用字典排序策略比较。注：其实只需要实现operator==和operator!=就可以了，其它可以根据这两个实现。因为，operator!=(lhs, rhs) 就是 !(lhs == rhs)，operator<=(lhs, rhs) 就是 !(rhs < lhs)，operator>(lhs, rhs) 就是 (rhs < lhs)，operator>=（lhs, rhs) 就是 !(lhs, rhs)。 vector类的迭代器 vector类的迭代器除了支持通用的前缀自增运算符外，还支持算术运算：it + n、it - n、it2 - it1。注意it2 - it1返回值为difference_type（signed类型）。注意，任何改变容器大小的操作都可能造成以前的迭代器失效。应用示例

#include <iostream>#include <cassert>#include <vector>using namespace std;int main(){ vector<string> v(5, "hello"); vector<string> v2(v.begin(), v.end()); assert(v == v2); cout<<"> Before operation"<<endl; for(vector<string>::const_iterator it = v.begin(); it < v.end(); ++it) cout<<*it<<endl; v.insert(v.begin() + 3, 4, "hello, world"); cout<<"> After insert"<<endl; for(vector<string>::size_type i = 0; i < v.size(); ++i) cout<<v[i]<<endl; vector<string>::iterator it = v.erase(v.begin() + 3, v.begin() + 6); assert(*it == "hello, world"); cout<<"> After erase"<<endl; for(vector<string>::size_type i = 0; i != v.size(); ++i) cout<<v[i]<<endl; assert(v.begin() + v.size() == v.end()); assert(v.end() - v.size() == v.begin()); assert(v.begin() - v.end() == -vector<string>::difference_type(v.size())); return 0;}

程序说明：上面程序中用了三个循环输出容器中的元素，每个循环的遍历方式是不一样的。特别需要说明的是，第二个循环在条件判断中使用了size()函数，而不是在循环之前先保存在变量中再使用。之所以这样做，有两个原因：其一，如果将来在修改程序时，在循环中修改了容器元素个数，这个循环仍然能很好地工作，而如果先保存size()函数值就不正确了；其二，由于这些小函数（其实现只需要一条返回语句）基本上都被声明为inline，所以不需要考虑效率问题。

迭代器

迭代器(iterator)是用来遍历容器内所有元素的数据类型。标准库为每一种标准容器定义了一种迭代器类型。迭代器类型提供了比下标操作更通用的方法：所有标准容器类都定义了相应的迭代器类型，而只有少数的容器支持下标操作。所以，在编写C++程序时，用迭代器遍历容器是一种更通用的方法，也更加安全。一般提供两种类型：iterator和const_iterator。

begin()和end()操作

每种容器都定义了一对命名为begin()和end()的函数，用来返回容器的迭代序列。其中，begin返回的迭代器指向第一个元素，end返回的迭代器指向最后一个元素的下一个位置（实际上是一个不存在的元素），所以迭代序列为[begin(), end())。如果容器为空，那么begin()返回与end()一样的迭代器。

访问容器元素(operator*)

假如迭代器it指向容器的一个元素，那么解引用*it就是该元素的值（注意，不能对end()解引用）。

下一个元素(operator++)

所有迭代器都支持前缀自增运算符，如++it，表示把迭代器移到容器中的下一个元素的位（同样不能对end()运算）。

比较 (operator == or operator !=)

所有迭代器都支持迭代器之间的比较： operator ==：如果两个迭代器指向同一元素，那么返回true；否则返回false。(operator != 类似）

bitset模板类

template<size_t N> class bitset;

bitset也是类模板，其模板参数N必须是常量表达式（能够在编译时计算出其值），表示bitset类对象的长度（位的个数）。bitset对象用来作为位容器，方便对位的操作，其元素为位。bitset对象元素的位置编号从 0 到 N - 1，对应着位串从低位到高位。

bitset类对象的构造

它有三个构造函数：

bitset();

初始化所有位都为0 bitset(unsigned long val);

用unsigned long初始化bitset对象，初始化bitset对象为val的位模式。如果bitset对象的长度小于val的位数，那么val中多余的高位被丢弃；如果bitset对象的长度大于val的位数，那么bitset对象的高位将被置为0

explicit bitset(const string& str, size_t pos = 0, size_t n = -1);

用string对象中从pos下标开始的n个字符来初始化bitset对象（这些字符必须是0或者1）。如果str.size() < pos，那么将抛出out_of_range异常。如果指定的字符序列[pos, pos + n)中有非0、1字符，那么将抛出invalid_argument异常。如果n > str.size() - pos，就只使用str.size() - pos位来初始化bitset对象。如果指定的字符序列中字符个数比bitset对象位数要多，则只使用前面的字符。

初始化规则：[pos, pos + n)序列中最后一个字符对应着bitset对象的低位（第一位），而第一个字符对应着高位。（这点符合我们看待字符串形式的位串的方式：左边是高位，右边是低位）

举例：bitset<16> bs1; // bs1有16位，并全部初始化为0

bitset<16> bs2(0xFFFF); // bs2有16位，并全部初始化为1bitset<32> bs3(0xFFFF); // bs3有32位，低16位(0-15)为1，高16位(16-31)为0bitset<8> bs4(0xFFFF); // bs4有8位，并全部初始化为1

string test("111110000011");bitset<8> bs5(test); // bs5有8位，并且只使用test串的前八个字符"11111000"来初始化， // 所以0-7位为：0001 1111（注意与源串反向）bitset<8> bs6(test, 4, 3); // bs6有8位，并且用"100"来初始化，所以0-7位为：0010 0000

位的测试

bool any() const; // 如果容器内有任意位被置为1，则返回true；否则返回false。bool none() const; // 如果容器内没有位被置为1，则返回true；否则返回false。bool test(size_t pos, bool val = true); // 测试位置pos处的位是否为val（默认测试是否为1） // 如果pos >= size()，那么将抛出异常out_of_range

bool at(size_type pos) const; // 返回指定位；如果pos无效，那么将抛出异常out_of_range。reference at(size_type pos);bool operator[](size_type pos) const;reference operator(size_type pos);

static const size_t bitset_size = N; //容器内的位个数Nsize_t size() const; // 返回容器内的位个数Nsize_t count() const; // 返回被置为1的位的个数

bitset<N>& flip(); // 将容器内所有位全部取反bitset<N> operator~(); // 返回this->flip();bitset<N>& flip(size_t pos); // 将位置pos处的位取反；如果pos >= size()，那么将抛出异常out_of_range。

bitset<N>& reset(); // 将容器内所有位重置为0bitset<N>& reset(size_t pos); // 将位置pos处的位置为0；如果pos >= size()，那么将抛出异常out_of_rangebitset<N>& set(); // 将容器内所有位重置为1bitset<N>& set(size_t pos, bool val = true); // 将位置pos处的位置为val（默认为1)； // 如果pos >= size()，那么将抛出异常out_of_range

unsigned long to_ulong() const; // 返回对应的unsigned long值；如果溢出，则抛出overflow_errorstring to_string() const; // 把bitset对象转换成string对象，其规则是：字符串的第一字符对应容器中最后一位。 bool operator ==(const bitset<N>& rhs) const; // 如果两容器的位序列完全相等，则返回true；否则返回false.bool operator !=(const bitset<N>& rhs) const; // 如果两容器的位序列不完全相等，则返回true；否则返回false。

bitset<N>& operator&=(const bitset<N>& rhs); // 位串进行“与”运算bitset<N>& operator|=(const bitset<N>& rhs); // “或”运算bitset<N>& operator^=(const bitset<N>& rhs);

bitset<N>& operator<<=(size_t pos); // 逻辑左移pos位（向高位方向移动）bitset<N>& operator>>=(size_t pos); // 逻辑右移pos位（向低位方向移动）bitset<N> operator<<(size_t pos) const; // 返回 bitset<N>(*this) <<= pos.bitset<N> operator>>(size_t pos) const; // 返回 bitset<N>(*this) >>= pos.

非成员函数ostream& operator<<(ostream& os, const bitset<N>& x); 相当于调用return os<<x.to_string();istream& operator>>(istream& is, bitset<N>& x); 相当于调用: string str; is>>str; x = bitset<N>(str); return is; 其中，当从输入流is提取的字符个数已经有N个时，提取结束；当遇到文件尾时，提取结束；当is中当前字符不是0也不是1时，提取结束。如果没有提取到任何字符就结束了（此时x不变），那么将调用is.setstate(ios_base::failbit)。

bitset<N> operator&(const bitset<N>& lhs, const bitset<N>& rhs); // 返回 bitset<N>(lhs) &= rhs.bitset<N> operator|(const bitset<N>& lhs, const bitset<N>& rhs); // 返回 bitset<N>(lhs) |= rhs.bitset<N> operator^(const bitset<N>& lhs, const bitset<N>& rhs); // 返回 bitset<N>(lhs) ^= rhs.

另外， bitset中的reference定义如下：class reference {public: reference& operator=(bool b}; reference& operator=(const reference& x); bool operator~() const; operator bool() const; reference& flip();};

其使用举例如下：bitset<8> bs(string("111110000011"));bs[2] = 0; // 此时bs[0]-bs[7]为00011011 bool b = ~x[2]; // b == 1, bs不变x[2].flip(); // bs改变：bs[0]-bs[7]为00011111

应用示例

#include <iostream>#include <cassert>#include <bitset>using namespace std;int main(){ bitset<16> bs1; // bs1有16位，并全部初始化为0 assert(bs1.none()); bitset<16> bs2(0xFFFF); // bs2有16位，并全部初始化为1 assert(bs2.count() == 16); bitset<32> bs3(0xFFFF); // bs3有32位，低16位(0-15)为1，高16位(16-31)为0 assert(bs3.to_ulong() == 0xFFFF); bitset<8> bs4(0xFFFF); // bs4有8位，并全部初始化为1 assert(bs4.count() == 8); string test("111110000011"); bitset<8> bs5(test); // bs5有8位，并且只使用test串的前八个字符"11111000"来初始化， // 所以0-7位为：0001 1111（注意与源串反向） assert(bs5.to_ulong() == 0xF8); bitset<8> bs6(test, 4, 3); // bs6有8位，并且用"100"来初始化，所以0-7位为：0010 0000 assert(bs6.to_ulong() == 0x04); assert((bs5 & bs6) == bitset<8>()); assert((bs5 | bs6) == bitset<8>(string("11111100"))); assert((bs5 ^ bs6) == bitset<8>(string("11111100"))); bs5[1] = 1; // 此时bs[0]-bs[7]为01011111 assert(bs5.to_ulong() == 0xFA); bool b = ~bs5[1]; // b == 0, bs不变 assert(!b); assert(bs5.to_ulong() == 0xFA); bs5[1].flip(); // bs改变：bs[0]-bs[7]为00011111 assert(bs5.to_ulong() == 0xF8); assert((bs5 << 4) == bitset<8>(string("10000000"))); bitset<8> bs7(bs5); bs7 >>= 4; assert(bs7 == bitset<8>(string("00001111"))); bitset<16> bs8; cout<<"Before input: "<<bs8<<endl; cout<<"Please input: "<<endl; cin>>bs8; cout<<"After input: "<<bs8<<endl; cout<<"OK! All tests passed."<<endl; return 0;}

如果文中有错误或遗漏之处，敬请指出，谢谢！

参考文献：[1] Thinking in C++(Volume Two, Edition 2)[2] C++ Primer(Edition 4)[3] International Standard：ISO/IEC 14882:1998

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