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

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。

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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）

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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1
bitset<32> bs3(0xFFFF); // bs3有32位，低16位(0-15)为1，高16位(16-31)为0
bitset<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N
size_t size() const; // 返回容器内的位个数N
size_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0
bitset<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_range
bitset<N>& set(); // 将容器内所有位重置为1
bitset<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_error
string 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;
}