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面试题总结(四) – STL与算法篇

<1> 请列举 C++ STL 中常用的容器（如 vector、list、map 等）及其特点。

vector (向量):

• 特点: 动态数组，内存连续存储，支持随机访问，在尾部添加和删除元素效率高，在中间插入和删除元素效率低。
• 理由: 连续存储使得随机访问速度快，但中间插入删除需要移动大量元素。

list (链表):

• 特点: 双向链表，非连续存储，在任意位置插入和删除元素效率高，不支持随机访问。
• 理由: 链表结构决定了插入删除操作只需修改指针，无需移动元素，但随机访问需要遍历。

map (映射):

• 特点: 基于红黑树实现的键值对数据结构，按键有序存储，查找、插入和删除的平均时间复杂度为 O(log n)。
• 理由: 红黑树的特性保证了元素的有序性和较好的查找效率。

unordered_map (无序映射):

• 特点: 基于哈希表实现，查找、插入和删除的平均时间复杂度为 O(1)，元素无序。
• 理由: 哈希表的特性使得查找速度快，但不保证元素顺序。

<2> 如何在 C++ 中使用 STL 算法（如排序、查找等）？

排序:

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>int main() {std::vector<int> numbers = {5, 2, 8, 1, 3};std::sort(numbers.begin(), numbers.end());for (int num : numbers) {std::cout << num << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

理由: std::sort 函数接受两个迭代器指定排序范围，对范围内的元素进行排序。

查找:

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>int main() {std::vector<int> numbers = {5, 2, 8, 1, 3};auto it = std::find(numbers.begin(), numbers.end(), 8);if (it != numbers.end()) {std::cout << "找到了 8" << std::endl;} else {std::cout << "未找到 8" << std::endl;}return 0;
}

理由: std::find 函数返回指向找到元素的迭代器，如果未找到则返回结束迭代器。

<3> 解释 STL 迭代器的概念和作用。

概念: 迭代器是一种用于遍历容器中元素的工具。

作用: 1.提供统一的访问方式，使得不同容器的遍历操作具有相似性；2.解耦算法和容器的具体实现，算法只需通过迭代器操作元素，无需关心容器的内部结构。

<4> C++ 中 map 和 unordered_map 的区别是什么？

存储结构:

• map 基于红黑树，元素按键有序存储。
• unordered_map 基于哈希表，元素无序存储。

查找效率:

• 平均情况下，unordered_map 的查找、插入和删除操作通常更快，时间复杂度接近 O(1)。
• map 的查找、插入和删除操作的平均时间复杂度为 O(log n)。

空间占用: unordered_map 通常需要更多的空间来存储哈希表的相关信息。

迭代顺序:

• map 按照键的升序迭代。
• unordered_map 的迭代顺序是不确定的。

<5> 谈谈 STL 中容器适配器（stack、queue、priority_queue）的使用。

stack (栈):

#include <iostream>
#include <stack>int main() {std::stack<int> myStack;myStack.push(1);myStack.push(2);myStack.push(3);std::cout << "栈顶元素: " << myStack.top() << std::endl;myStack.pop();std::cout << "栈顶元素: " << myStack.top() << std::endl;return 0;
}

理由: push 用于入栈，top 获取栈顶元素，pop 弹出栈顶元素。

queue (队列):

#include <iostream>
#include <queue>int main() {std::queue<int> myQueue;myQueue.push(1);myQueue.push(2);myQueue.push(3);std::cout << "队头元素: " << myQueue.front() << std::endl;myQueue.pop();std::cout << "队头元素: " << myQueue.front() << std::endl;return 0;
}

理由: push 用于入队，front 获取队头元素，pop 弹出队头元素。

priority_queue (优先队列):

#include <iostream>
#include <queue>int main() {std::priority_queue<int> myPriorityQueue;myPriorityQueue.push(1);myPriorityQueue.push(3);myPriorityQueue.push(2);std::cout << "队头元素: " << myPriorityQueue.top() << std::endl;myPriorityQueue.pop();std::cout << "队头元素: " << myPriorityQueue.top() << std::endl;return 0;
}

理由: push 用于入队，top 获取队头元素，pop 弹出队头元素。

<6> 如何自定义 C++ STL 容器的比较函数？

对于 map 或 set 等有序容器:

struct CustomComparator {bool operator()(const int& a, const int& b) {return a % 2 < b % 2;  // 按照奇数偶数比较}
};std::map<int, int, CustomComparator> myMap;

对于排序算法:

bool customSort(int a, int b) {return a > b;  // 降序排序
}std::vector<int> numbers = {5, 2, 8, 1, 3};
std::sort(numbers.begin(), numbers.end(), customSort);

<7> 描述 C++ 中算法的复杂度分析（时间复杂度和空间复杂度）。

时间复杂度: 表示算法执行所需的时间与输入规模之间的关系。

常见的时间复杂度有：O(1)（常数时间）、O(log n)（对数时间）、O(n)（线性时间）、O(n log n)、O(n^2) 等。

空间复杂度: 表示算法执行所需的额外空间与输入规模之间的关系。

例如，对于 std::sort 函数，其平均时间复杂度为 O(n log n)，空间复杂度为 O(log n)。

<8> 举例说明在 C++ 中如何使用 STL 进行数据的批量处理。

假设要对一个整数 vector 中的所有元素进行平方操作:

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>void square(int& num) {num *= num;
}int main() {std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};std::for_each(numbers.begin(), numbers.end(), square);for (int num : numbers) {std::cout << num << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

<9> 解释 C++ 中函数对象（functor）在 STL 中的应用。

函数对象可以用于传递给 STL 算法作为操作函数。

例如，在 std::sort 中使用自定义的函数对象来定义排序规则:

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>struct DescendingComparator {bool operator()(int a, int b) {return a > b;}
};int main() {std::vector<int> numbers = {5, 2, 8, 1, 3};std::sort(numbers.begin(), numbers.end(), DescendingComparator());for (int num : numbers) {std::cout << num << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

<10> 如何解决 C++ 中 STL 容器的迭代器失效问题？

1. 对于 vector 和 deque:

• 在插入或删除元素时，如果导致容器重新分配内存，可能会使迭代器失效。
• 解决方法：在插入或删除操作后，重新获取迭代器。

2. 对于 list：

插入和删除操作不会使迭代器失效，只会使指向被删除元素的迭代器失效。

3. 对于 map 和 set 等关联容器：

• 插入操作不会使迭代器失效，但删除操作会使指向被删除元素的迭代器失效。

• 解决方法：在删除操作前，先保存需要的迭代器，或者使用返回的新迭代器。

例如，对于 vector：

#include <iostream>
#include <vector>int main() {std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};auto it = numbers.begin() + 2;numbers.insert(numbers.begin() + 2, 6);  // 插入可能导致迭代器失效it = numbers.begin() + 3;  // 重新获取迭代器std::cout << *it << std::endl;return 0;
}