C++編譯期類型生成示例代碼詳解

更新時(shí)間：2025年09月22日 09:46:45 作者：kiiib43482

在C++中,編譯期計(jì)算表達(dá)式是通過(guò)利用C++語(yǔ)言的特性,在程序編譯階段而非運(yùn)行時(shí)完成計(jì)算任務(wù),下面這篇文章主要介紹了C++編譯期類型生成的相關(guān)資料,文中通過(guò)代碼介紹的非常詳細(xì),需要的朋友可以參考下

1、非修改序列算法

這些算法不會(huì)改變它們所操作的容器中的元素。

1.1 find 和 find_if

find(begin, end, value)：查找第一個(gè)等于 value 的元素，返回迭代器（未找到返回 end）。
find_if(begin, end, predicate)：查找第一個(gè)滿足謂詞的元素。
find_end(begin, end, sub_begin, sub_end)：查找子序列最后一次出現(xiàn)的位置。

vector<int> nums = {1, 3, 5, 7, 9};

// 查找值為5的元素
auto it = find(nums.begin(), nums.end(), 5);
if (it != nums.end()) {
    cout << "found: " << *it << endl;  // 輸出：5
}

// 查找第一個(gè)大于6的元素
auto it2 = find_if(nums.begin(), nums.end(), [](int x) {
    return x > 6;
});
cout << "first >6: " << *it2 << endl;  // 輸出：7

// 查找子序列
vector<int> sub = {3, 5};
auto it3 = find_end(nums.begin(), nums.end(), sub.begin(), sub.end());
if (it3 != nums.end()) {
    cout << "subsequence starts at index: " << it3 - nums.begin() << endl;  // 輸出：1
}

1.2 count 和 count_if

count(begin, end, value)：統(tǒng)計(jì)等于 value 的元素個(gè)數(shù)。
count_if(begin, end, predicate)：統(tǒng)計(jì)滿足謂詞（predicate）的元素個(gè)數(shù)。

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 2, 4, 2};
int cnt = std::count(vec.begin(), vec.end(), 2); // 計(jì)數(shù)2的個(gè)數(shù)，結(jié)果為3
int even_cnt = std::count_if(vec.begin(), vec.end(), [](int x) { 
    return x % 2 == 0; 
}); // 偶數(shù)個(gè)數(shù)，結(jié)果為4

1.3 for_each

對(duì)范圍內(nèi)的每個(gè)元素應(yīng)用一個(gè)函數(shù)

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
std::for_each(vec.begin(), vec.end(), [](int& x) { 
    x *= 2; // 將每個(gè)元素乘以2
});
// 現(xiàn)在vec變?yōu)閧2, 4, 6, 8, 10}

1.4 equal 與 mismatch

equal(b1, e1, b2)：判斷兩個(gè)范圍 [b1,e1) 和 [b2, b2+(e1-b1)) 是否相等。
mismatch(b1, e1, b2)：返回兩個(gè)范圍中第一個(gè)不相等元素的迭代器對(duì)（pair）。

vector<int> a = {1, 2, 3};
vector<int> b = {1, 2, 4};
vector<int> c = {1, 2, 3, 4};

// 比較a和b的前3個(gè)元素
bool is_equal = equal(a.begin(), a.end(), b.begin());
cout << "a == b? " << boolalpha << is_equal << endl;  // 輸出：false

// 查找a和c的第一個(gè)不匹配元素
auto mis = mismatch(a.begin(), a.end(), c.begin());
if (mis.first != a.end()) {
    cout << "mismatch: " << *mis.first << " vs " << *mis.second << endl;  // 無(wú)輸出（a和c前3元素相等）
}

1.5 all_of, any_of, none_of

檢查范圍內(nèi)元素是否全部、存在或沒(méi)有滿足條件的

std::vector<int> vec = {2, 4, 6, 8};
bool all_even = std::all_of(vec.begin(), vec.end(), [](int x) { 
    return x % 2 == 0; 
}); // true
bool any_odd = std::any_of(vec.begin(), vec.end(), [](int x) { 
    return x % 2 != 0; 
}); // false
bool none_negative = std::none_of(vec.begin(), vec.end(), [](int x) { 
    return x < 0; 
}); // true

2、修改序列算法

這些算法會(huì)修改它們所操作的容器中的元素。

2.1 copy 和 copy_if

copy(begin, end, dest)：將 [begin, end) 中的元素復(fù)制到 dest 開始的位置。
copy_if(begin, end, dest, predicate)：復(fù)制滿足謂詞的元素到 dest。

vector<int> src = {1, 2, 3, 4, 5};
vector<int> dest(5);  // 需預(yù)先分配足夠空間

// 復(fù)制所有元素
copy(src.begin(), src.end(), dest.begin());  // dest: [1,2,3,4,5]

// 復(fù)制偶數(shù)元素到新容器
vector<int> evens;
copy_if(src.begin(), src.end(), back_inserter(evens), [](int x) {
    return x % 2 == 0;
});  // evens: [2,4]

注意：back_inserter(dest) 會(huì)自動(dòng)調(diào)用 push_back，無(wú)需提前分配空間。

2.2 transform

對(duì)范圍內(nèi)的每個(gè)元素應(yīng)用一個(gè)函數(shù)，并將結(jié)果存儲(chǔ)在另一個(gè)范圍內(nèi)

vector<int> nums = {1, 2, 3};
vector<int> squares(3);

// 計(jì)算平方（單參數(shù)轉(zhuǎn)換）
transform(nums.begin(), nums.end(), squares.begin(), [](int x) {
    return x * x;
});  // squares: [1,4,9]

// 兩容器元素相加（雙參數(shù)轉(zhuǎn)換）
vector<int> a = {1, 2, 3};
vector<int> b = {4, 5, 6};
vector<int> sum(3);
transform(a.begin(), a.end(), b.begin(), sum.begin(), [](int x, int y) {
    return x + y;
});  // sum: [5,7,9]

2.3 replace、replace_if與 replace_copy

replace(begin, end, old_val, new_val)：將所有 old_val 替換為 new_val。
replace_if(begin, end, predicate, new_val)：替換滿足謂詞的元素。
replace_copy(begin, end, dest, old_val, new_val)：復(fù)制時(shí)替換元素（不修改原容器）。

vector<int> nums = {1, 2, 3, 2, 5};

// 替換所有2為20
replace(nums.begin(), nums.end(), 2, 20);  // nums: [1,20,3,20,5]

// 替換大于10的元素為0
replace_if(nums.begin(), nums.end(), [](int x) {
    return x > 10;
}, 0);  // nums: [1,0,3,0,5]

// 復(fù)制時(shí)替換3為300（原容器不變）
vector<int> res;
replace_copy(nums.begin(), nums.end(), back_inserter(res), 3, 300);  // res: [1,0,300,0,5]

2.4 remove、remove_if 與 erase

remove(begin, end, value)：將等于 value 的元素 “移動(dòng)” 到容器末尾，返回新的邏輯尾迭代器（不實(shí)際刪除元素，需配合 erase）。
remove_if(begin, end, predicate)：移動(dòng)滿足謂詞的元素到末尾。

vector<int> nums = {1, 2, 3, 2, 4};

// 邏輯刪除所有2（移動(dòng)到末尾）
auto new_end = remove(nums.begin(), nums.end(), 2);  // nums: [1,3,4,2,2]

// 物理刪除（真正移除元素）
nums.erase(new_end, nums.end());  // nums: [1,3,4]

// 結(jié)合lambda刪除偶數(shù)
nums = {1, 2, 3, 4, 5};
nums.erase(remove_if(nums.begin(), nums.end(), [](int x) {
    return x % 2 == 0;
}), nums.end());  // nums: [1,3,5]

2.5 unique

移除范圍內(nèi)連續(xù)的重復(fù)元素，返回新的邏輯結(jié)尾迭代器。通常與erase結(jié)合使用。

std::vector<int> vec = {1, 1, 2, 2, 3, 3, 3, 4, 5};
auto last = std::unique(vec.begin(), vec.end());
vec.erase(last, vec.end()); // vec變?yōu)閧1, 2, 3, 4, 5}

2.6 reverse

反轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的元素順序

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
std::reverse(vec.begin(), vec.end()); // vec變?yōu)閧5, 4, 3, 2, 1}

2.7 rotate

旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的元素，使中間元素成為新的第一個(gè)元素

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
std::rotate(vec.begin(), vec.begin() + 2, vec.end()); // 以3為起點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，vec變?yōu)閧3, 4, 5, 1, 2}

2.8 shuffle

隨機(jī)重排范圍內(nèi)的元素（需要C++11或更高版本）

#include <random>
#include <algorithm>

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
std::random_device rd;
std::mt19937 g(rd());
std::shuffle(vec.begin(), vec.end(), g); // 隨機(jī)打亂vec中的元素

3、排序和相關(guān)算法

3.1 sort、stable_sort 與 partial_sort

sort(begin, end)：對(duì)元素進(jìn)行快速排序（不穩(wěn)定，平均時(shí)間復(fù)雜度 O (n log n)）。
stable_sort(begin, end)：穩(wěn)定排序（相等元素相對(duì)位置不變）。
partial_sort(begin, mid, end)：部分排序，使 [begin, mid) 為整個(gè)范圍中最小的元素并排序。

std::vector<int> vec = {5, 3, 1, 4, 2};
std::sort(vec.begin(), vec.end()); // 默認(rèn)升序，vec變?yōu)閧1, 2, 3, 4, 5}
std::sort(vec.begin(), vec.end(), std::greater<int>()); // 降序，vec變?yōu)閧5, 4, 3, 2, 1}
std::sort(vec.begin(), vec.end(), [](int a, int b) { 
    return a < b; 
}); // 升序，自定義比較

std::vector<std::pair<int, int>> vec = {{1, 2}, {2, 1}, {1, 1}, {2, 2}};
std::stable_sort(vec.begin(), vec.end(), [](const auto& a, const auto& b) {
    return a.first < b.first; // 按first排序，保持相等元素的相對(duì)順序
});

std::vector<int> vec = {5, 3, 1, 4, 2, 6};
// 將最小的3個(gè)元素放在前面并排序
std::partial_sort(vec.begin(), vec.begin() + 3, vec.end());
// 現(xiàn)在vec前三個(gè)元素是1, 2, 3，后面是未排序的4, 5, 6

3.2 nth_element

重新排列范圍，使得指定位置的元素等于排序后的元素，并且左邊的元素都不大于它，右邊的元素都不小于它

std::vector<int> vec = {5, 3, 1, 4, 2, 6};
// 找到第三小的元素（索引2）
std::nth_element(vec.begin(), vec.begin() + 2, vec.end());
// 現(xiàn)在vec[2]是3，它左邊的元素<=3，右邊的>=3

3.3 binary_search、lower_bound、upper_bound

需在已排序的容器上使用

binary_search(begin, end, value)：判斷 value 是否存在（返回 bool）。
lower_bound(begin, end, value)：返回第一個(gè)不小于 value 的元素迭代器。
upper_bound(begin, end, value)：返回第一個(gè)大于 value 的元素迭代器。

vector<int> sorted = {1, 3, 3, 5, 7};  // 必須先排序

// 判斷3是否存在
bool exists = binary_search(sorted.begin(), sorted.end(), 3);  // true

// 查找第一個(gè)>=3的元素
auto lb = lower_bound(sorted.begin(), sorted.end(), 3);
cout << "lower_bound index: " << lb - sorted.begin() << endl;  // 輸出：1

// 查找第一個(gè)>3的元素
auto ub = upper_bound(sorted.begin(), sorted.end(), 3);
cout << "upper_bound index: " << ub - sorted.begin() << endl;  // 輸出：3

3.4 merge

合并兩個(gè)已排序的范圍到新容器（保持排序）

vector<int> a = {1, 3, 5};
vector<int> b = {2, 4, 6};
vector<int> merged(a.size() + b.size());

// 合并a和b（均需已排序）
merge(a.begin(), a.end(), b.begin(), b.end(), merged.begin());  // merged: [1,2,3,4,5,6]

4、堆算法

STL提供了將范圍作為堆來(lái)操作的算法，包括make_heap, push_heap, pop_heap, sort_heap等。

std::vector<int> vec = {4, 1, 3, 2, 5};
std::make_heap(vec.begin(), vec.end()); // 構(gòu)建最大堆，vec變?yōu)閧5, 4, 3, 2, 1}

vec.push_back(6);
std::push_heap(vec.begin(), vec.end()); // 將新元素加入堆，vec變?yōu)閧6, 4, 5, 2, 1, 3}

std::pop_heap(vec.begin(), vec.end()); // 將最大元素移到末尾，vec變?yōu)閧5, 4, 3, 2, 1, 6}
int max_val = vec.back(); // 獲取最大元素6
vec.pop_back(); // 移除最大元素

std::sort_heap(vec.begin(), vec.end()); // 將堆排序?yàn)樯蛐蛄校瑅ec變?yōu)閧1, 2, 3, 4, 5}

5、最小/最大值算法

5.1 min 和 max

返回兩個(gè)值或初始化列表中的最小/最大值

int a = 5, b = 3;
int min_val = std::min(a, b); // 3
int max_val = std::max(a, b); // 5

auto min_of_list = std::min({4, 2, 8, 5, 1}); // 1
auto max_of_list = std::max({4, 2, 8, 5, 1}); // 8

5.2 min_element 和 max_element

返回范圍內(nèi)的最小/最大元素的迭代器

std::vector<int> vec = {3, 1, 4, 2, 5};
auto min_it = std::min_element(vec.begin(), vec.end()); // 指向1
auto max_it = std::max_element(vec.begin(), vec.end()); // 指向5

5.3 minmax_element (C++11)

同時(shí)返回范圍內(nèi)的最小和最大元素的迭代器

std::vector<int> vec = {3, 1, 4, 2, 5};
auto minmax = std::minmax_element(vec.begin(), vec.end());
// minmax.first指向1，minmax.second指向5

6、數(shù)值算法（在<numeric>中）

6.1 accumulate

計(jì)算范圍內(nèi)元素的累加和（或自定義操作）

#include <numeric>

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
int sum = std::accumulate(vec.begin(), vec.end(), 0); // 和，初始值為0，結(jié)果為15
int product = std::accumulate(vec.begin(), vec.end(), 1, std::multiplies<int>()); // 乘積，初始值為1，結(jié)果為120

6.2 inner_product

計(jì)算兩個(gè)范圍的內(nèi)積（或自定義操作）

std::vector<int> a = {1, 2, 3};
std::vector<int> b = {4, 5, 6};
int dot = std::inner_product(a.begin(), a.end(), b.begin(), 0); // 1*4 + 2*5 + 3*6 = 32

6.3 iota

用連續(xù)遞增的值填充范圍

std::vector<int> vec(5);
std::iota(vec.begin(), vec.end(), 10); // 填充為10, 11, 12, 13, 14

6.4 partial_sum

計(jì)算部分和，將結(jié)果存儲(chǔ)在目標(biāo)范圍內(nèi)

std::vector<int> src = {1, 2, 3, 4, 5};
std::vector<int> dst(src.size());
std::partial_sum(src.begin(), src.end(), dst.begin()); // dst變?yōu)閧1, 3, 6, 10, 15}

6.5 adjacent_difference

計(jì)算相鄰元素的差值，將結(jié)果存儲(chǔ)在目標(biāo)范圍內(nèi)

std::vector<int> src = {1, 2, 3, 4, 5};
std::vector<int> dst(src.size());
std::adjacent_difference(src.begin(), src.end(), dst.begin()); // dst變?yōu)閧1, 1, 1, 1, 1}

7、其他

7.1 generate

用生成函數(shù)填充范圍

std::vector<int> vec(5);
int n = 0;
std::generate(vec.begin(), vec.end(), [&n]() { 
    return n++; 
}); // 填充為0, 1, 2, 3, 4

7.2 generate_n

用生成函數(shù)填充范圍的開始n個(gè)元素

std::vector<int> vec(5);
int n = 10;
std::generate_n(vec.begin(), 3, [&n]() { 
    return n++; 
}); // 前三個(gè)元素為10, 11, 12，后兩個(gè)保持不變

7.3 includes

檢查一個(gè)排序范圍是否包含另一個(gè)排序范圍的所有元素

std::vector<int> vec1 = {1, 2, 3, 4, 5};
std::vector<int> vec2 = {2, 4};
bool includes = std::includes(vec1.begin(), vec1.end(), vec2.begin(), vec2.end()); // true

7.3 set_union, set_intersection, set_difference, set_symmetric_difference

執(zhí)行集合操作：并集、交集、差集和對(duì)稱差集

std::vector<int> v1 = {1, 2, 3, 4, 5};
std::vector<int> v2 = {3, 4, 5, 6, 7};
std::vector<int> result;

// 并集
std::set_union(v1.begin(), v1.end(), v2.begin(), v2.end(), std::back_inserter(result));
// result為{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}

// 交集
result.clear();
std::set_intersection(v1.begin(), v1.end(), v2.begin(), v2.end(), std::back_inserter(result));
// result為{3, 4, 5}

// 差集 (v1 - v2)
result.clear();
std::set_difference(v1.begin(), v1.end(), v2.begin(), v2.end(), std::back_inserter(result));
// result為{1, 2}

// 對(duì)稱差集 (v1 ∪ v2 - v1 ∩ v2)
result.clear();
std::set_symmetric_difference(v1.begin(), v1.end(), v2.begin(), v2.end(), std::back_inserter(result));
// result為{1, 2, 6, 7}

8、常見(jiàn)問(wèn)題

sort 與 stable_sort 的區(qū)別？
- sort 采用快速排序（實(shí)際是 introsort 算法），不穩(wěn)定（相等元素的相對(duì)位置可能改變），平均時(shí)間復(fù)雜度 O (n log n)。
- stable_sort 采用歸并排序，穩(wěn)定（相等元素相對(duì)位置不變），時(shí)間復(fù)雜度 O (n log n)，但空間開銷略大。
為什么 remove 算法需要配合 erase 使用？
remove 算法的原理是 “覆蓋” 要?jiǎng)h除的元素，將保留的元素移到前面，返回新的邏輯尾迭代器，但不修改容器的實(shí)際大小。erase 則通過(guò)迭代器范圍真正刪除元素，修改容器大小。因此需結(jié)合使用：container.erase(remove(...), container.end())。
哪些算法需要容器是已排序的？
二分查找系列（binary_search、lower_bound、upper_bound）、集合算法（set_intersection、set_union 等）、merge 等，這些算法依賴有序性實(shí)現(xiàn)高效操作（如二分查找 O (log n)）。

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