从 C 过渡到 C++

Zeus 收录于学习笔记

2023-09-24 2023-12-13 约 5000 字预计阅读 10 分钟 - 次阅读

警告

本文最后更新于 2023-12-13，文中内容可能已过时。

前言

由于 C 语言缺乏对 Map、Set 等数据结构的支持，在写算法题时，经常需要自己实现这些数据结构或者借助第三方库，例如 uthash 等。

但是很难保证，线上笔试的编译环境是否支持这些第三方库，因此为了秋招以及重温对 C++ 的理解，最近在重新梳理 C++ 的知识。

字符串以及文件操作

字符串

C++ 支持字符串类型，即 string，而 C 语言中没有字符串类型，只能使用字符数组来表示字符串。 C++ 中的字符串类型为 string，其定义在 string 头文件中。

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#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

int main() {
    string s = "Hello World";
    cout << s << endl;
    return 0;
}

针对 string 类型的变量，可以继续用 [] 进行索引，也可以使用 size() 函数获取字符串的长度。

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#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

int main() {
    string s = "Hello World";
    for (int i = 0; i < s.size(); i++) {
        cout << s[i];
    }
    cout << endl;
    return 0;
}

C++ 中的字符串类型和字符数组之间可以相互转换，只需使用 c_str() 函数以及 string 构造函数进行转换即可。

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#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

int main() {
    string s = "Hello World";
    char c[100];
    strcpy(c, s.c_str());
    printf("%s\n", c);

    string s2(c);
    cout << s2 << endl;
    return 0;
}

标准输入输出

cin 和 cout 是 C++ 的标准输入输出流，分别对应于 C 语言中的 scanf 和 printf。

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#include <iostream>

using namespace std;

int main() {
    int a, b;
    cin >> a >> b;
    cout << a + b << endl;
    return 0;
}

然而 cout 的格式化输出较为麻烦，例如输出一个浮点数，需要指定精度、小数点后保留的位数等。

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#include <iostream>
// iomanip 头文件中定义了一些用于格式化输出的函数
#include <iomanip>

using namespace std;

int main() {
    double a = 1.0 / 3.0;
    cout << fixed << setprecision(3) << a << endl;
    return 0;
}

此时我会继续使用 printf。

文件输入输出

C++ 中的文件输入输出流分别为 ifstream 和 ofstream，分别对应于 C 语言中的 fopen 和 fprintf。

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#include <iostream>
#include <fstream>

using namespace std;

int main() {
    ifstream fin("input.txt");
    ofstream fout("output.txt");
    int a, b;
    fin >> a >> b;
    fout << a + b << endl;
    return 0;
}

其他常用函数

`getline` 和 `eof`

getline 函数用于读取一行字符串，其第一个参数为输入流，第二个参数为字符串变量。获取的字符串不包含换行符。

eof 函数用于判断输入流是否已经读取到文件末尾。

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#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>

using namespace std;

int main() {
    ifstream fin("input.txt");
    string a;
    while (!fin.eof()) {
        getline(fin, a);
        cout << a << endl;
    }
    return 0;
}

`stoi`、`stol`、`stoll`、`stof`、`stod`、`stold`

stoi、stol、stoll、stof、stod、stold 函数用于将字符串转换为整数、长整数、长长整数、浮点数、双精度浮点数、长双精度浮点数。他们的用法类似，只是返回值类型不同。

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#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

int main() {
    string a = "123";
    int b = stoi(a);
    cout << b << endl;

    string c = "123.456";
    float d = stof(c);
    cout << d << endl;
}

STL

STL 即标准模板库是 C++ 中的一个重要组成部分，包含了很多常用的数据结构和算法，例如 vector、map、set、sort 等。

容器与容器适配器

C++ 的 STL 包含基础的容器和容器适配器，容器适配器是基础容器的封装，提供了一些特殊的功能。

序列式容器：vector、deque、forward_list、list、array
关联式容器：set、map、unordered_set、unordered_map
容器适配器：stack、queue、priority_queue

向量 `vector`

vector 容器类似于 C 语言中的数组，但是 vector 的长度可以动态变化，其常用的成员函数有：

push_back(xxx)：在数组末尾添加一个元素
pop_back()：删除数组末尾的一个元素
emplace_back(xxx)：在数组末尾添加一个元素，与 push_back 的区别是，emplace_back 效率更高
insert(pos, xxx)：在数组的 pos 位置插入一个元素
emplace(pos, xxx)：在数组的 pos 位置插入一个元素，与 insert 的区别是，emplace 效率更高
empty()：判断数组是否为空
size()：获取数组的长度
clear()：清空数组
begin()：获取数组的首地址，常用于遍历数组
end()：获取数组的末尾地址，常用于遍历数组
front()：获取数组的首元素
back()：获取数组的末尾元素

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#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

int main() {
    vector<int> v;
    v.push_back(1);
    v.push_back(2);
    v.emplace_back(3);
    v.emplace_back(4);
    for (int i = 0; i < v.size(); i++) {
        cout << v[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    // 1 2 3 4

    v.pop_back();
    v.pop_back();
    vector<int>::iterator it;
    for (it = v.begin(); it != v.end(); it++) {
        cout << *it << " ";
    }
    cout << endl;
    // 1 2

    v.insert(v.begin(), 3);
    v.insert(v.begin() + 1, 4);
    for (int i = 0; i < v.size(); i++) {
        cout << v[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    // 3 4 1 2

    v.clear();
    cout << v.empty() << endl;
    // 1
    return 0;
}

快速排序

C++ 中的快速排序函数为 sort，包含在 algorithm 头文件中，其第一个参数为数组的首地址，第二个参数为数组的末尾地址，第三个参数为比较函数。

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

using namespace std;

bool myfunction (int i, int j) {
    return i > j;
}

int main () {
    vector<int> myvector = {32,71,12,45,26,80,53,33};

    // 默认升序(操作符 <)
    sort(myvector.begin(), myvector.begin() + 4);
    // (12 32 45 71) 26 80 53 33

    // 自定义比较函数
    sort(myvector.begin() + 4, myvector.end(), myfunction);
    // 12 32 45 71 (80 53 33 26)

    for (int i = 0; i < myvector.size(); i++) {
        cout << myvector[i] << " ";
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

双端队列 `deque`

deque 容器就是双端队列，可以在队列的首部和末尾添加元素以及删除元素，其常用的成员函数有：

push_back(xxx)：在队列末尾添加一个元素
pop_back()：删除队列末尾的一个元素
emplace_back(xxx)：在队列末尾添加一个元素，与 push_back 的区别是，emplace_back 效率更高
push_front(xxx)：在队列首部添加一个元素
pop_front()：删除队列首部的一个元素
emplace_front(xxx)：在队列首部添加一个元素，与 push_front 的区别是，emplace_front 效率更高
empty()：判断队列是否为空
size()：获取队列的长度
clear()：清空队列
begin()：获取队列的首地址，常用于遍历队列
end()：获取队列的末尾地址，常用于遍历队列
front()：获取队列的首元素
back()：获取队列的末尾元素

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#include <iostream>
#include <deque>

using namespace std;

int main() {
    deque<int> d;
    d.push_back(1);
    d.push_back(2);
    d.emplace_back(3);
    d.emplace_back(4);
    for (int i = 0; i < d.size(); i++) {
        cout << d[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    // 1 2 3 4

    d.pop_back();
    d.pop_back();
    deque<int>::iterator it;
    for (it = d.begin(); it != d.end(); it++) {
        cout << *it << " ";
    }
    cout << endl;
    // 1 2

    d.push_front(3);
    d.push_front(4);
    for (int i = 0; i < d.size(); i++) {
        cout << d[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    // 4 3 1 2

    d.clear();
    cout << d.empty() << endl;
    // 1
    return 0;
}

队列 `queue`

queue 容器就是队列，只能在队列的末尾添加元素，在队列的首部删除元素，其常用的成员函数有：

push(xxx)：在队列末尾添加一个元素
pop()：删除队列首部的一个元素
emplace(xxx)：在队列末尾添加一个元素，与 push 的区别是，emplace 效率更高
empty()：判断队列是否为空
size()：获取队列的长度
front()：获取队列的首元素
back()：获取队列的末尾元素

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#include <iostream>
#include <queue>

using namespace std;

int main() {
    queue<int> q;
    q.push(1);
    q.push(2);
    q.emplace(3);
    q.emplace(4);
    cout << q.front() << endl;
    // 1
    cout << q.back() << endl;
    // 4
    q.pop();
    cout << q.front() << endl;
    // 2
    cout << q.back() << endl;
    // 4
    return 0;
}

栈 `stack`

stack 容器就是栈，只能在栈的末尾添加元素，在栈的末尾删除元素，其常用的成员函数有：

push(xxx)：在栈末尾添加一个元素
pop()：删除栈末尾的一个元素
emplace(xxx)：在栈末尾添加一个元素，与 push 的区别是，emplace 效率更高
empty()：判断栈是否为空
size()：获取栈的长度
top()：获取栈顶元素

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#include <iostream>
#include <stack>

using namespace std;

int main() {
    stack<int> s;
    s.push(1);
    s.push(2);
    s.emplace(3);
    s.emplace(4);
    cout << s.top() << endl;
    // 4
    s.pop();
    cout << s.top() << endl;
    // 3
    return 0;
}

优先级队列 `priority_queue`

priority_queue 容器就是优先级队列，其底层实现为堆，其常用的成员函数有：

push(xxx)：在队列末尾添加一个元素
pop()：删除队列首部的一个元素
emplace(xxx)：在队列末尾添加一个元素，与 push 的区别是，emplace 效率更高
empty()：判断队列是否为空
size()：获取队列的长度
top()：获取队列的首元素

大顶堆、小顶堆

默认情况下，priority_queue 容器使用的比较函数为 less，即从大到小的顺序排列,被称为大顶堆、大根堆;
如果想要实现从小到大的顺序排列，也就是小顶堆、小根堆，需要使用 greater 比较函数。

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#include <iostream>
#include <queue>

using namespace std;

int main() {
    // 默认大顶堆
    priority_queue<int> q;
    q.push(1);
    q.push(2);
    q.emplace(3);
    q.emplace(4);
    cout << q.top() << endl;
    // 4
    q.pop();
    cout << q.top() << endl;
    // 3

    // 小顶堆
    priority_queue<int, vector<int>, greater<int>> q2;
    q2.push(1);
    q2.push(2);
    q2.emplace(3);
    q2.emplace(4);
    cout << q2.top() << endl;
    // 1
    q2.pop();
    cout << q2.top() << endl;
    // 2
    return 0;
}

集合 `set`

set 容器就是集合，其底层实现为红黑树，其常用的成员函数有：

insert(xxx)：在集合中插入一个元素
emplace(xxx)：在集合中插入一个元素，与 insert 的区别是，emplace 效率更高
erase(xxx)：删除集合中的一个元素
empty()：判断集合是否为空
size()：获取集合的长度
clear()：清空集合
begin()：获取集合的首地址，常用于遍历集合
end()：获取集合的末尾地址，常用于遍历集合
count(xxx)：查找集合中是否存在某个元素，如果存在则返回 1，否则返回 0
find(xxx)：查找集合中是否存在某个元素，如果存在则返回该元素的迭代器，否则返回 end() 迭代器

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#include <iostream>
#include <set>

using namespace std;

int main() {
    set<int> s;
    s.insert(1);
    s.insert(2);
    s.emplace(3);
    s.emplace(4);
    set<int>::iterator it;
    for (it = s.begin(); it != s.end(); it++) {
        cout << *it << " ";
    }
    cout << endl;
    // 1 2 3 4

    s.erase(1);
    s.erase(2);
    for (it = s.begin(); it != s.end(); it++) {
        cout << *it << " ";
    }
    cout << endl;
    // 3 4

    cout << s.count(3) << endl;
    // 1
    cout << s.count(5) << endl;
    // 0

    if (s.find(3) != s.end()) {
        cout << "find 3" << endl;
    }
    if (s.find(5) == s.end()) {
        cout << "not find 5" << endl;
    }
    return 0;
}

映射 `map`

map 容器就是映射，其底层实现也为红黑树，其常用的成员函数有：

[]：获取映射中某个元素的值，如果不存在则会创建该元素并赋值为 0
at(k)：获取映射中某个元素的值，如果不存在则会抛出异常
insert(pair<k, v>)：在映射中插入一个元素
emplace(k, v)：在映射中插入一个元素，与 insert 的区别是，emplace 效率更高
erase(k)：删除映射中的一个元素
empty()：判断映射是否为空
size()：获取映射的长度
clear()：清空映射
begin()：获取映射的首地址，常用于遍历映射
end()：获取映射的末尾地址，常用于遍历映射
count(k)：查找映射中是否存在某个元素，如果存在则返回 1，否则返回 0
find(k)：查找映射中是否存在某个元素，如果存在则返回该元素的迭代器，否则返回 end() 迭代器

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#include <iostream>
#include <map>

using namespace std;

int main() {
    map<string, int> m;
    m["a"] = 1;
    m["b"] = 2;
    m.emplace("c", 3);
    m.emplace("d", 4);
    map<string, int>::iterator it;
    for (it = m.begin(); it != m.end(); it++) {
        cout << it->first << " " << it->second << endl;
    }
    // a 1
    // b 2
    // c 3
    // d 4

    m.erase("a");
    m.erase("b");
    for (it = m.begin(); it != m.end(); it++) {
        cout << it->first << " " << it->second << endl;
    }
    // c 3
    // d 4

    cout << m.count("c") << endl;
    // 1
    cout << m.count("e") << endl;
    // 0

    if (m.find("c") != m.end()) {
        cout << "find c" << endl;
    }
    if (m.find("e") == m.end()) {
        cout << "not find e" << endl;
    }
    return 0;
}

无序集合 `unordered_set`

unordered_set 容器就是无序集合，其底层实现为哈希表，其常用的成员函数和 set 容器相同。

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#include <iostream>
#include <unordered_set>

using namespace std;

int main() {
    unordered_set<int> s;
    s.insert(1);
    s.insert(2);
    s.emplace(3);
    s.emplace(4);
    unordered_set<int>::iterator it;
    for (it = s.begin(); it != s.end(); it++) {
        cout << *it << " ";
    }
    cout << endl;
    // 4 3 2 1

    s.erase(1);
    s.erase(2);
    for (it = s.begin(); it != s.end(); it++) {
        cout << *it << " ";
    }
    cout << endl;
    // 4 3

    cout << s.count(3) << endl;
    // 1
    cout << s.count(5) << endl;
    // 0

    if (s.find(3) != s.end()) {
        cout << "find 3" << endl;
    }
    if (s.find(5) == s.end()) {
        cout << "not find 5" << endl;
    }
    return 0;
}

哈希表 `unordered_map`

unordered_map 容器就是哈希表，其底层实现为哈希表，其常用的成员函数和 map 容器相同。

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#include <iostream>
#include <unordered_map>

using namespace std;

int main() {
    unordered_map<string, int> m;
    m["a"] = 1;
    m["b"] = 2;
    m.emplace("c", 3);
    m.emplace("d", 4);
    unordered_map<string, int>::iterator it;
    for (it = m.begin(); it != m.end(); it++) {
        cout << it->first << " " << it->second << endl;
    }
    // 顺序不确定

    m.erase("a");
    m.erase("b");
    for (it = m.begin(); it != m.end(); it++) {
        cout << it->first << " " << it->second << endl;
    }
    // 顺序不确定

    cout << m.count("c") << endl;
    // 1
    cout << m.count("e") << endl;
    // 0

    if (m.find("c") != m.end()) {
        cout << "find c->" << m["c"] << endl;
    }
    if (m.find("e") == m.end()) {
        cout << "not find e" << endl;
    }
    return 0;
}

其他

元组 `tuple`

tuple 容器就是元组，其常用的成员函数有：

get<i>(tuple)：获取元组中第 i 个元素的值
make_tuple(xxx, xxx, ……)：创建一个元组
tie(xxx, xxx, ……)：将元组中的值赋值给变量

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#include <iostream>
#include <tuple>

using namespace std;

int main() {
    tuple<int, string, float> t(1, "a", 1.0);
    cout << get<0>(t) << endl;
    cout << get<1>(t) << endl;
    cout << get<2>(t) << endl;
    // 1
    // a
    // 1

    auto t2 = make_tuple(2, "b", 2.0);
    cout << get<0>(t2) << endl;
    cout << get<1>(t2) << endl;
    cout << get<2>(t2) << endl;
    // 2
    // b
    // 2

    int a;
    string b;
    float c;
    tie(a, b, c) = t;
    cout << a << endl;
    cout << b << endl;
    cout << c << endl;
    // 1
    // a
    // 1
    return 0;
}

二元组 pair

pair 容器就是二元组，是元组的特例，其常用的成员函数有：

first：获取二元组的第一个元素的值
second：获取二元组的第二个元素的值
make_pair(xxx, xxx)：创建一个二元组

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#include <iostream>
// utility 头文件中定义了 make_pair
#include <utility>

using namespace std;

int main() {
    pair<int, string> p(1, "a");
    cout << p.first << endl;
    cout << p.second << endl;
    // 1
    // a

    auto p2 = make_pair(2, "b");
    cout << p2.first << endl;
    cout << p2.second << endl;
    // 2
    // b
    return 0;
}

本文作者： Zeus
本文链接： https://ywang-wnlo.github.io/posts/89c4acb1/
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双端队列 deque

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无序集合 unordered_set

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双端队列 `deque`

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栈 `stack`

优先级队列 `priority_queue`

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映射 `map`

无序集合 `unordered_set`

哈希表 `unordered_map`

元组 `tuple`