頭歌 | 數據結構與算法課程設計-算法與競賽(第5章) - C++與STL基礎一

STL是C++的標准模板庫，英文全稱是Standard Template Library，它稍微有點復雜，操作很多，但是非常實用。STL的目的是標准化常用的組件，這樣就不用重新開發了，可以使用現成的組件來提高編程效率。它是由Alexander Stepanov等人在惠普實驗室工作時所開發出來的，從根本上說，STL是vector，set，map等容器的集合。

本實訓主要設置了六個關卡來教學和實踐vector，set和map：

• 第一關：介紹向量vector的相關操作並設計了一些任務，同時需要調用vector的相關操作來完成；
• 第二關：設計了一個二維動態數組的應用，使用vector能夠非常方便解決該問題；
• 第三關：介紹集合set的相關操作，並運用這些基本操作解決設定的小任務；
• 第四關：基於set求解一段英語文本中的出現的26個英文字母（區分大小寫）；
• 第五關：介紹鍵值對映射map的一些操作，運用map維護一個學生成績管理系統，並提供查詢功能；
• 第六關：運用鍵值對映射map統計一段英語文本中的26個英文字母出現的次數（區分大小寫）。

第1關：STL模板之動態數組：向量vector的操作

任務描述

本關任務：仔細閱讀下文向量vector的相關操作，並使用vector完成對n個整數序列的插入、刪除和排序功能。

相關知識

為了完成本關任務，你需要掌握：1.向量的概念；2.插入元素；3.刪除元素；4.基於sort對向量排序；5.遍歷向量；6.清空向量。

向量的概念

向量vector：是一種順序容器，與數組類似，但它比數組更優越。數組不能動態拓展，在程序運行的時候可能造成內存浪費和訪問越界。而vector正好可以彌補這一缺陷，可動態分配和拓展內存，它的隨機訪問快，在中間插入和刪除慢，但在末端插入和刪除快。

向量作為基本數組的類模板，被包含在vector頭文件中，定義方式如下（注意搭配algorithm和using namespace std一起使用）：

• vector<int> v1，定義一個元素為類型為int 整型的向量v1
• vector<string> v2(10)，定義一個元素為類型為string字符串類型的向量v2，初始存儲空間大小為10，每個元素初始為空串
• vector<node> v3，定義一個元素為類型為node類型的向量v3，其中node一般是結構體等自定義數據類型

插入元素

往向量插入一個元素通過調用push_back()方法實現（在向量末尾插入），另外也可以通過下標訪問的方式直接在指定位置插入元素（前提是該位置已經被分配內存空間），如下實例：

vector <int> vec; // 創建一個整型向量vec
vec.push_back(1); // 向vec插入一個元素1
vec.push_back(2); // 向vec插入一個元素2
vec[1] = 3; // 直接在位置1插入元素3，原來的元素2被元素3覆蓋了
// 目前vec包含 1, 3兩個元素

刪除元素

向量的刪除與插入相對應，包含隊尾刪除和指定位置刪除：隊尾刪除通過調用pop_back()方法，注意，它並不會返回被刪除的元素；指定位置的刪除是基於迭代器iterator 實現的，迭代器相對應數組的指針，指向向量的存儲地址，通過調用erase(iterator pos)方法刪除迭代器位置pos所在的元素，基於上述vec的實例如下：

vec.pop_back(); // 刪除了元素3
vector<int>::iterator pos = vec.begin(); //定義一個vector<int>的迭代器pos，並指向vec的首地址
cout<<*pos; // 與指針一樣，通過*訪問地址上的值，輸出為1
vec.erase(pos); // 刪除迭代器地址pos及其元素，目前pos為vec首地址，元素值為1，刪除之后元素為空，不包含任何元素了

基於sort對向量排序

向量是基於數組的類模板，同樣可以用sort函數完成排序，使用方式如下：

sort(vec.begin(), vec.end()); // 默認從小到大排序

遍歷向量

向量的遍歷可以通過下標訪問和迭代器訪問的方式：

for(int i=0;i<vec.size();i++) // size()返回當前向量vec的大小
    cout<<vec[i];
for(vector<int>::iterator it=vec.begin();it!=vec.end();it++)
    cout<<*it;

清空向量

向量的清空通過調用clear()方法實現，清空后向量大小變為0：

vec.clear()

編程要求

本關的編程任務是補全右側代碼片段main中Begin至End中間的代碼，具體要求如下：

• 創建一個整型類型的向量vec；
• 讀取數據：序列個數n，以及n個整數並插入向量vec；
• 通過erase操作刪除向量vec中的重復元素：保留第一次出現的元素，刪除之后出現的重復元素；
• 使用Algorithm模板函數sort對向量vec里的元素從小到大排序；
• 遍歷向量vec並輸出：元素中間空格隔開，末尾加換行符\n；
• 調用clear清空向量。

測試說明

平台將自動編譯補全后的代碼，並生成若干組測試數據，接着根據程序的輸出判斷程序是否正確。

以下是平台的測試樣例：

測試輸入：

7

1 2 3 1 2 3 4

預期輸出：

1 2 3 4

0

輸入格式：

第一行：序列個數n

第二行：n個整數序列

輸出格式：

第一行：遍歷並輸出向量，中間空格隔開，末尾換行\n

第二行：非學員輸出，數值0用於檢測向量是否清空

---

開始你的任務吧，祝你成功！

 

//
//  main.cpp
//  step1
//
//  Created by ljpc on 2018/7/23.
//  Copyright ? 2018年 ljpc. All rights reserved.
//

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <vector>
using namespace std;

int main(int argc, const char * argv[]) {


    // 請在這里補充代碼，完成本關任務
    /********* Begin *********/
    // 1.構建整型向量vec
    vector<int> vec;

    // 2.讀取數據：序列個數n，以及n個整數並存入向量vec
    int n;
    cin>>n;
    for(int i=0; i<n; i++) {
        int m;
        cin>>m;
        vec.push_back(m);
    }
    
    // 3.刪除向量vec中的重復元素
    sort(vec.begin(),vec.end());
    auto last = std::unique(vec.begin(),vec.end());
    vec.erase(last,vec.end());


    // 4.使用Algorithm模板函數sort對vec排序：從小到大
    sort(vec.begin(),vec.end());

    // 5.遍歷向量vec並輸出，元素中間空格隔開，末尾加換行符'\n'
    for(vector<int>::iterator it=vec.begin();it!=vec.end();it++) cout<<" "<<*it;
    cout<<endl;

    // 6.清空向量vec
    vec.clear();

    /********* End *********/
    printf("%d\n", int(vec.size()));

    return 0;
}

 

 

第2關：STL模板之動態數組：向量vector的應用

任務描述

本關任務：在一座城池中有N個谷倉，每個谷倉分別有Ni​袋糧食並堆成了一列，重量分別為Wj​，為了應對外敵，通常需要在谷倉間調動糧食，每次調動只會選擇糧堆最上面的一袋糧食運走，並放在目的谷倉糧堆的最上面。

相關知識

為了完成本關任務，你需要掌握：1.向量的相關操作，2.嵌套使用向量模擬二維動態數組。

向量的相關操作

糧食調動是在糧堆的最上面進行的操作，涉及的向量操作為push_back和pop_back，詳細的向量具體操作和運用請參考STL模板之動態數組：向量vector的操作。

嵌套使用向量模擬二維動態數組

谷倉的數量在不同的測試用例下是不同的，每個谷倉中的糧食袋數是動態變化的，因此，可以使用二維的動態數組來求解，既方便又節約內存。

• 第一步：定義一個以糧食重量int為數據類型的動態數組vector<int>；
• 第二步：定義一個以糧食重量向量vector<int>為數據類型的動態數組vector<vector<int> > vec。

這樣，vec的第一維下標就表示谷倉的ID，第二維就是對應谷倉的各袋糧食的重量。

編程要求

本關的編程任務是補全右側代碼片段main中Begin至End中間的代碼，具體要求如下：

• 創建一個vector<vector<int> > vec二維動態向量，讀取各個谷倉的初始糧食狀況；

• 基於向量的push_pack和pop_back等基本操作，實現M次調動糧食；

• 輸出最后各個谷倉ID、該谷倉中各袋糧食的重量以及總的重量（請嚴格遵循測試樣例的輸出格式）。

測試說明

平台將自動編譯補全后的代碼，並生成若干組測試數據，接着根據程序的輸出判斷程序是否正確。

以下是平台的測試樣例：

測試輸入：

5

3 79 32 29

4 42 41 92 6

6 68 37 63 11 34 79

2 63 36

3 27 74 67

6

move 1 2

move 3 0

move 3 0

move 4 2

move 1 4

move 2 0

預期輸出：

0 79 32 29 36 63 67 306

1 42 41 83

2 68 37 63 11 34 79 6 298

3 0 0

4 27 74 92 193

輸入格式：

第一行整數N：谷倉數量

接下來N行，依次為各個谷倉ID=[0,1,...,N−1]的初始信息：第一個數字為該谷倉的初始糧食袋數Ni​，后面接着Ni​袋糧食的重量Wj​

接下來一行整數M：調動糧食次數

接下來M行，每行move a b：將谷倉a糧堆的最后一袋糧食調動到谷倉b糧堆的最上面

輸出格式：

輸出N行，按順序輸出谷倉ID=[0,1,...,N−1]的最終狀態信息：ID W0​ W1​ ... Wj​ Wsum​，若谷倉空了，則輸出為ID 0 0

注意：每行所有數字中間空格隔開，末尾換行\n

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開始你的任務吧，祝你成功！

 

//
//  main.cpp
//  step2
//
//  Created by ljpc on 2018/7/23.
//  Copyright © 2018年 ljpc. All rights reserved.
//

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <vector>
using namespace std;

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    
    // 請在這里補充代碼，完成本關任務
    /********* Begin *********/
    vector<vector<int> > vec;
    int n;
    scanf("%d", &n);
    while (n--) {
        vector<int> tmp;
        int m;
        scanf("%d", &m);
        while (m--) {
            int x;
            scanf("%d", &x);
            tmp.push_back(x);
        }
        vec.push_back(tmp);
    }
    int q;
    scanf("%d", &q);
    while (q--) {
        char str[20];
        int a, b;
        scanf("%s %d %d", str, &a, &b);
        if(!vec[a].empty()){
            vec[b].push_back(vec[a].back());
            vec[a].erase(vec[a].end()-1);
        }
    }
    for (int i=0; i<vec.size(); i++) {
        int tot = 0;
        printf("%d ", i);
        if (vec[i].empty()) {
            printf("0 ");
        }
        else{
            for (int j=0; j<vec[i].size(); j++) {
                printf("%d ",vec[i][j]);
                tot += vec[i][j];
            }
        }
        printf("%d\n", tot);
    }
}

 

 

第3關：STL模板之關聯容器：集合set的操作詳解

任務描述

本關任務：仔細閱讀下文集合的相關操作，並使用set完成N次插入或刪除元素操作，以及集合的遍歷和查找等要求。

相關知識

為了完成本關任務，你需要掌握：1.集合的概念，2.插入元素，3.刪除元素，4.遍歷集合，5.查找元素，6.清空集合。

集合的概念

集合set就是數學上的集合，其中的每個元素沒有重復的，但是set中的元素在數據結構中是有序存儲的（默認升序），為了高效的實現插入、刪除和查找等操作，這與數學上的集合中元素無序性有點區別。

集合set也是STL中的一種標准關聯容器，其底層數據結構是基於平衡搜索樹（紅黑樹）實現的，插入刪除等操作都是通過迭代器指針實現的，不涉及內存操作，因此效率非常高。

集合set被包含在set頭文件中，基本定義方式如下：

• set<int> st，定義了一個元素類型為int整型的集合st

插入元素

往集合中插入一個元素通過調用insert()方法實現：

set<int> st; // 創建一個整型集合st
st.insert(1); // 向st插入一個元素1
st.insert(2); // 向st插入一個元素2

刪除元素

集合元素的刪除通過調用erase()方法實現，傳入的參數可以是待刪除的元素，也可以是待刪除元素的地址：

set<int>::iterator it = st.begin(); // 定義一個迭代器，初始為st的首地址
cout<<*it; // 輸出為元素1
st.erase(it); // 刪除it指向的元素1
st.erase(2); // 刪除元素2

遍歷集合

集合的遍歷通過迭代器的方式進行，首先讓迭代器指針指向集合的首地址，然后逐步移動迭代器指針，直到集合的尾地址：

for(set<int>::iterator it = st.begin();it!=st.end();it++)
    cout<<*it;

查找元素

在集合中查找指定元素通過find()方法實現，若找到了則返回該元素在集合中的地址，否則返回集合的尾地址：

it = st.find(2); //查找指定元素2，it結果為st.end()，因為2已經被刪除了

集合清空

集合的清空通過調用clear()方法實現，清空后集合的大小st.size()變為0：

st.clear()
cout<<st.size(); // 結果為0

編程要求

本關的編程任務是補全右側代碼片段main中Begin至End中間的代碼，具體要求如下：

• 創建一個空的集合st，數據類型為int；

• 讀取數據：第一行整數N，后面N行插入或刪除操作，按指定要求輸出相應信息；

• 遍歷集合：首先在一行輸出集合的大小，然后在下一行輸出集合所有元素，中間空格隔開，末尾換行；

• 讀取數據：整數M以及M次查找操作，並按指定要求輸出相應信息；

• 清空集合

測試說明

平台將自動編譯補全后的代碼，並生成若干組測試數據，接着根據程序的輸出判斷程序是否正確。

以下是平台的測試樣例：

測試輸入：

7

insert 2

insert 7

insert 1

erase 3

erase 1

insert 5

erase 7

2

find 7

find 5

預期輸出：

3 not in set

print set: 2

2 5

find 7 not in set

find 5 in set

0

輸入格式：

第一行整數N

接下來N行插入或刪除操作

整數M

接下來M行查找操作

輸出格式：

插入刪除階段：若待刪除的元素x不在集合中，則輸出：x not in set

遍歷集合階段輸出兩行，第一行print set: set.size()，第二行集合所有元素x1 x2 x3 ...

查找階段：若找到元素x，則輸出find x in set，否則輸出find x not in set

非學員輸出0

---

開始你的任務吧，祝你成功！

 

//
//  main.cpp
//  step5
//
//  Created by ljpc on 2018/7/25.
//  Copyright  2018年 ljpc. All rights reserved.
//

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <string>
#include <algorithm>
#include <map>
using namespace std;

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    
    // 請在這里補充代碼，完成本關任務
    /********* Begin *********/
    // 1.創建一個空的鍵值對映射mp: 鍵string->值int
    map<string,int> mp;
    // 2.讀取和處理數據：插入n個學生信息（姓名 成績），並按指定要求輸出
    int n1,i;
    cin>>n1;
    string s1,s2;
    int n2;
    pair<string,int> p;
    map<string,int>::iterator it;
        for(i=0;i<n1;i++){
            cin>>s1>>s2>>n2;
            if(s1=="insert"){
                p.first=s2;
                p.second=n2;
                it=mp.find(p.first);
                if(it==mp.end())
                    mp.insert(p);
                else
                    cout<<s2<<" has been recorded\n";
            }     
        }
        /*if(it==mp.end()){
            for(i=0;i<n1;i++){
              p.first=s2;
              p.second=n2;
              mp.insert(p);
            }
        }
        else
        cout<<s2<<" has been recorded\n";*/
       
    // 3.讀取和處理數據：刪除m個學生信息（姓名），並按指定要求輸出
    int n3;
    cin>>n3;
    string s3,s4;
    /*cin>>s3;
    if(s3=="erase"){
        cin>>s4;
        p.first=s4;
        it=mp.find(s4);
        if(it!=mp.end()){
            for(i=0;i<n3;i++){
              mp.erase(s4);
            }
        }
        else
        cout<<s4<<" has not been recorded\n";
    }*/ 
    for(i=0;i<n3;i++){
            cin>>s3>>s4;
            if(s3=="erase"){
                p.first=s4;
                
                it=mp.find(p.first);
                if(it!=mp.end())
                    mp.erase(p.first);
                else
                    cout<<s4<<" has not been recorded\n";
            }
            
        }     
    // 4.遍歷映射mp，並按指定要求輸出
    cout<<"print map: "<<mp.size()<<"\n";
    for(it=mp.begin();it!=mp.end();it++){
        cout<<it->first<<" "<<it->second<<"\n";
    }
    // 5.查找q個學生信息，並按指定要求輸出
    int n4;
    cin>>n4;
    string s5,s6;
    
    for(i=0;i<n4;i++){
        cin>>s5>>s6;
        if(s5=="find"){
            it=mp.find(s6);
            if(it!=mp.end()){
                cout<<s6<<" score "<<it->second<<"\n";
            }
            else
            cout<<s6<<" cannot been found\n";
        }
    }
  
    // 6.清空集合
    mp.clear();
    /********* End *********/
    printf("%d\n", int(mp.size()));
    
    return 0;
}