C++ STL

Was ist die C++ STL?

Die C++ STL ist eine Bibliothek eingebauter Klassen und Funktionen. Sie bietet vier Komponenten: Algorithmen, Container, Funktionen und Iteratoren. Algorithmen sind Prozeduren, die auf Datensätzen operieren. Container sind Objekte, die Daten speichern. Funktionen sind Objekte, die wie Funktionen agieren können. Iteratoren sind Objekte, die es ermöglichen, durch Container zu navigieren.

C++ STL einfach erklärt: Grundbegriffe und Konzepte

Vereinfacht ausgedrückt, ist die C++ STL eine Bibliothek, die mit C++ ausgeliefert wird und eine Vielzahl nützlicher Datenstrukturen und Algorithmen bereitstellt, die Entwicklern dabei helfen, code effizient zu schreiben, indem sie Common-Task-Lösungen zur Verfügung stellt.

Welche STL-Containers gibt es in C++?

Es gibt verschiedene Arten von Containern in der C++ STL. Sie alle haben unterschiedliche Eigenschaften und werden für unterschiedliche Zwecke verwendet. Die Haupt-Containerarten sind:

• Sequenzielle Container: array, vector, deque, forward_list, list
• Containeradapter: stack, queue, priority_queue
• Assoziative Container: set, multiset, map, multimap
• Nicht sequenzielle Container: unordered_set, unordered_multiset, unordered_map, unordered_multimap

Jeder Container hat seine eigene Verwendung und ist in bestimmten Situationen besser geeignet als andere.

Definition C++ STL und wofür sie verwendet wird

Die STL ist bekannt für ihre Effizienz und Flexibilität und ist weit verbreitet in der Anwendungsentwicklung, im Game-Programming, in systemnaher Programmierung und in vielen anderen Bereichen, in denen C++ zum Einsatz kommt.

Die Datenstrukturen der C++ STL

In der C++ STL gibt es eine Vielzahl von Datenstrukturen, die als Container bezeichnet werden und es ermöglichen, Daten auf verschiedene Arten zu speichern und zu organisieren. Diese Container umfassen sequenzielle Container wie array, vector und list sowie assoziative Container wie set, map und ihre Varianten. Zusätzlich gibt es auch Containeradapter wie queue und stack. Diese erweitern oder ändern das Verhalten von anderen Containern, um nützliche Datenstrukturen wie Queues und Stacks bereitzustellen.

Verwendung von C++ STL Datenstrukturen

Jeder dieser Container hat seine eigenen spezifischen Verwendungen und Stärken. Zum Beispiel, vectors und arrays sind extrem schnell beim Zugriff auf Elemente an zufälligen Positionen, während lists und forward_lists vorteilhaft sein können, wenn es wichtig ist, Elemente schnell an beliebigen Positionen hinzuzufügen oder zu löschen.

Um die bestmögliche Leistung zu erzielen, solltest du den richtigen Container für deine spezifische Aufgabe auswählen. Dies hängt von den spezifischen Anforderungen deines Programms ab, wie zum Beispiel der Häufigkeit bestimmter Operationen, der Menge der zu speichernden Daten und der Art der Arbeit, die du mit den Daten durchführen musst.

Beispiel C++ STL: Nutzung von Datenstrukturen

Um die Verwendung von C++ STL-Datenstrukturen zu verdeutlichen, betrachten wir ein einfaches Beispiel für die Verwendung eines vectors. Im Folgenden ist ein kurzer C++-Codeausschnitt:

#include 
#include 

int main() {
std::vector numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
for(int number : numbers) {
std::cout << number << ' ';
}

return 0;
}

Dieser Code erstellt einen vector von integers, füllt ihn mit einigen Zahlen und gibt diese dann aus. Wie du siehst, erledigt die STL all die harte Arbeit für uns. Es ist so einfach, einen Container zu erstellen und zu verwenden, und der erstellte Code ist klar und einfach zu verstehen.

Was sind C++ Linked Lists STL?

In der STL wird die Linked List durch die list und die forward_list Klassen repräsentiert. Beide Klassen bieten effizientes Einfügen und Löschen von Elementen an jeder Position, aber sie ermöglichen keinen direkten Zugriff auf einzelne Elemente. Das Durchsuchen einer Linked List erfordert das Durchlaufen der Liste von Anfang an, bis das gesuchte Element gefunden wird.

C++ STL Übung: Arbeiten mit Datenstrukturen

Im Folgenden findest du ein Übungsbeispiel, das dir helfen wird, die Verwendung der C++ STL-Datenstrukturen zu verstehen. Die Aufgabe besteht darin, die Wörter in einem String zu zählen und die Anzahl der Vorkommen jedes Worts mit Hilfe einer map zu speichern.

#include 

Dieser Code erstellt eine map (oder assoziativen Container), die Strings auf Ganzzahlen abbildet. Er liest dann Wörter aus einem String ein und inkrementiert ihren Zähler in der map bei jedem Auftreten. Schließlich gibt er die Anzahl der Vorkommen jedes Worts aus.

Komplexe Beispiele und Anwendungen der C++ STL

Die C++ Standard Template Library (STL) ist eine leistungsstarke Bibliothek, die eine Vielzahl von Datenstrukturen und Algorithmen bietet. Durch zahlreiche praktische Anwendungsfälle und Übungen kannst du deine Fähigkeiten in C++ und der STL verbessern und optimieren. Sei es die Verarbeitung von Daten in Containerdatenstrukturen oder die Anwendung komplexer STL-Algorithmen, die STL ermöglicht es uns, effizienten und sauberen Code zu schreiben.

C++ STL komplexe Beispiele: Praktische Anwendungsfälle

Beginnen wir damit, ein komplexeres Problem zu lösen: Die Suche nach den k-Minsten Elementen in einem großen Datensatz.

C++ STL bietet die Funktion nth_element, die genau diese Aufgabe erfüllt. Die Funktion nth_element ordnet die Elemente im gewünschten Bereich so an, dass sich das n-te Element an der Position befindet, wo es in einem sortierten Bereich wäre. Alle kleineren Elemente sind vor diesem Element und alle größeren oder gleichwertigen Elemente folgen darauf. Dies alles erfolgt in linearer Zeit. Hier ist ein Beispiel:

#include 
#include 
#include 

int main() {
std::vector nums = {9, 1, 8, 2, 7, 3, 6, 4, 5};
std::nth_element(nums.begin(), nums.begin() + 3, nums.end());

for (int num : nums) {
std::cout << num << " ";
}

return 0;
}

In diesem Beispiel finden wir die drei kleinsten Elemente in einem vector. Nach dem Aufruf von nth_element sind die ersten drei Elemente die kleinsten drei Elemente, allerdings nicht in sortierter Reihenfolge. Alle anderen Elemente sind größer als diese drei Elemente.

C++ STL Übung: Coding Herausforderungen

Um deine Fähigkeiten in der Verwendung von STL zu verbessern, könnten Coding-Herausforderungen hilfreich sein. Sie ermöglichen es dir, verschiedene STL-Komponenten und ihre Anwendung in der Praxis zu verstehen. Nachfolgend findest du eine Übung, die mehrere STL-Komponenten verwendet.

Die Aufgabe besteht darin, den zuerst eingetretenen einzigartigen Charakter in einem Stream zu finden. Du liest Zeichen aus einem Stream ein und musst das erste Zeichen finden, das nur einmal im Stream auftritt.

#include 
#include 
#include 
#include 

void findFirstUnique(std::list& stream) {
std::unordered_map::iterator> charMap;
std::list uniqueChars;

for(char& ch : stream) {
if (charMap.find(ch) == charMap.end()) {
uniqueChars.push_back(ch);
charMap[ch] = --uniqueChars.end();
} else {
if (charMap[ch] != uniqueChars.end()) {
uniqueChars.erase(charMap[ch]);
charMap[ch] = uniqueChars.end();
}
}

if (uniqueChars.empty())
std::cout << "Kein einzigartiger Charakter gefunden \n";
else
std::cout << "Erster einzigartiger Charakter: " << uniqueChars.front() << '\n';
}
}

int main() {
std::list stream = {'a', 'b', 'c', 'a', 'b', 'd', 'e', 'f', 'g', 'h', 'i', 'j', 'e', 'd'};
findFirstUnique(stream);

return 0;
}

Dieses Beispiel verwendet mehrere C++ STL-Container, nämlich unordered_map und list. Der Algorithmus liest Zeichen aus einem Stream und speichert die Zeichen und ihre Positionen in der Liste der einzigartigen Zeichen. Wenn ein Zeichen mehr als einmal auftritt, wird es aus der Liste entfernt.

Erweiterte Anwendung von C++ STL-Containers

Außer der Verwendung grober STL-Container wie lists, vectors und maps gibt es auch fortgeschrittene Funktionen. Diese Funktionen sind insbesondere nützlich, wenn du versuchst, komplexe Probleme zu lösen und effizienten Code zu schreiben.

Fehlerbehebung und Optimierung in C++ STL

Beim Arbeiten mit der C++ STL können auch Fehler und Leistungsprobleme auftreten. Glücklicherweise bietet die STL viele Tools und Techniken, um diese Probleme zu beheben und die Funktionsweise deines Codes zu optimieren.

Ein gängiges Problem bei der Verwendung von STL-Containern und -Algorithmen ist die ungültige Verwendung von Iteratoren. Jeder STL-Container stellt Iteratoren zur Verfügung, die verwendet werden, um durch die Elemente des Containers zu iterieren. Allerdings ist es wichtig, dies korrekt zu tun.

Falscher Umgang mit Iteratoren, zum Beispiel das Entfernen eines Elements aus einem Container, während durch ihn iteriert wird, kann zu Fehlern führen. Um diesen Fehler zu vermeiden, ist es notwendig, den Iterator nach dem Löschen eines Elements zu aktualisieren. Mehrere STL-Container bieten Funktionen an, die ein Element entfernen und einen gültigen Iterator zurückgeben.

std::vector nums = {1, 2, 3, 4, 5};
for(auto it = nums.begin(); it != nums.end(); /* empty */) {
if(*it % 2 == 0) {
it = nums.erase(it);
} else {
++it;
}
}

In diesem Beispiel durchläuft der Code einen Vector und entfernt alle geraden Zahlen. Beachte, dass nums.erase(it) aufgerufen wird, um ein Element zu entfernen und dass der Rückgabewert dieses Aufrufs dem Iterator zugewiesen wird. Dadurch wird sichergestellt, dass der Iterator auch nach dem Löschen eines Elements gültig bleibt.