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C++算法

C++ STL 标准库算法详解

系统介绍了 C++ STL 标准库中的各类算法，包括非修改序列算法（find、count）、修改序列算法（copy、transform、remove）、排序算法（sort、partial_sort）、堆算法、极值算法及数值算法（accumulate、iota）等。文章通过具体代码示例演示了各算法的用法、参数及返回值，并解释了常见问题的处理逻辑，旨在帮助开发者掌握 STL 算法的高效应用。

咸鱼开飞机发布于 2026/3/29更新于 2026/10/26102 浏览

1. 非修改序列算法

这些算法不会改变它们所操作的容器中的元素。

1.1 find 和 find_if

  • find(begin, end, value)：查找第一个等于 value 的元素，返回迭代器（未找到返回 end）。
  • find_if(begin, end, predicate)：查找第一个满足谓词的元素。
  • find_end(begin, end, sub_begin, sub_end)：查找子序列最后一次出现的位置。
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> nums = {1, 3, 5, 7, 9};
    // 查找值为 5 的元素
    auto it = find(nums.begin(), nums.end(), 5);
    if (it != nums.end()) {
        cout << "found: " << *it << endl; // 输出：5
    }
    // 查找第一个大于 6 的元素
    auto it2 = find_if(nums.begin(), nums.end(), [](int x) { return x > 6; });
    cout << "first >6: " << *it2 << endl; // 输出：7
    // 查找子序列
    vector<> sub = {, };
     it3 = (nums.(), nums.(), sub.(), sub.());
     (it3 != nums.()) {
        cout <<  << it3 - nums.() << endl; 
    }
     ;
}
int
3
5
auto
find_end
begin
end
begin
end
if
end
"subsequence starts at index: "
begin
// 输出：1
return
0

1.2 count 和 count_if

  • count(begin, end, value)：统计等于 value 的元素个数。
  • count_if(begin, end, predicate)：统计满足谓词（predicate）的元素个数。
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 2, 4, 2};
    int cnt = std::count(vec.begin(), vec.end(), 2); // 计数 2 的个数，结果为 3
    int even_cnt = std::count_if(vec.begin(), vec.end(), [](int x) { return x % 2 == 0; }); // 偶数个数，结果为 4
    return 0;
}

1.3 for_each

对范围内的每个元素应用一个函数。

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

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
    std::for_each(vec.begin(), vec.end(), [](int& x) { x *= 2; // 将每个元素乘以 2 });
    // 现在 vec 变为{2, 4, 6, 8, 10}
    return 0;
}

1.4 equal 与 mismatch

  • equal(b1, e1, b2)：判断两个范围 [b1,e1) 和 [b2, b2+(e1-b1)) 是否相等。
  • mismatch(b1, e1, b2)：返回两个范围中第一个不相等元素的迭代器对（pair）。
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> a = {1, 2, 3};
    vector<int> b = {1, 2, 4};
    vector<int> c = {1, 2, 3, 4};
    // 比较 a 和 b 的前 3 个元素
    bool is_equal = equal(a.begin(), a.end(), b.begin());
    cout << "a == b? " << boolalpha << is_equal << endl; // 输出：false
    // 查找 a 和 c 的第一个不匹配元素
    auto mis = mismatch(a.begin(), a.end(), c.begin());
    if (mis.first != a.end()) {
        cout << "mismatch: " << *mis.first << " vs " << *mis.second << endl; // 无输出（a 和 c 前 3 元素相等）
    }
    return 0;
}

1.5 all_of, any_of, none_of

检查范围内元素是否全部、存在或没有满足条件的。

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

int main() {
    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
    return 0;
}

2. 修改序列算法

这些算法会修改它们所操作的容器中的元素。

2.1 copy 和 copy_if

  • copy(begin, end, dest)：将 [begin, end) 中的元素复制到 dest 开始的位置。
  • copy_if(begin, end, dest, predicate)：复制满足谓词的元素到 dest。
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iterator>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> src = {1, 2, 3, 4, 5};
    vector<int> dest(5); // 需预先分配足够空间
    // 复制所有元素
    copy(src.begin(), src.end(), dest.begin()); // dest: [1,2,3,4,5]
    // 复制偶数元素到新容器
    vector<int> evens;
    copy_if(src.begin(), src.end(), back_inserter(evens), [](int x) { return x % 2 == 0; }); // evens: [2,4]
    return 0;
}

注意：back_inserter(dest) 会自动调用 push_back，无需提前分配空间。

2.2 transform

对范围内的每个元素应用一个函数，并将结果存储在另一个范围内。

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

int main() {
    vector<int> nums = {1, 2, 3};
    vector<int> squares(3); // 计算平方（单参数转换）
    transform(nums.begin(), nums.end(), squares.begin(), [](int x) { return x * x; }); // squares: [1,4,9]
    // 两容器元素相加（双参数转换）
    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]
    return 0;
}

2.3 replace、replace_if 与 replace_copy

  • replace(begin, end, old_val, new_val)：将所有 old_val 替换为 new_val。
  • replace_if(begin, end, predicate, new_val)：替换满足谓词的元素。
  • replace_copy(begin, end, dest, old_val, new_val)：复制时替换元素（不修改原容器）。
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iterator>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> nums = {1, 2, 3, 2, 5};
    // 替换所有 2 为 20
    replace(nums.begin(), nums.end(), 2, 20); // nums: [1,20,3,20,5]
    // 替换大于 10 的元素为 0
    replace_if(nums.begin(), nums.end(), [](int x) { return x > 10; }, 0); // nums: [1,0,3,0,5]
    // 复制时替换 3 为 300（原容器不变）
    vector<int> res;
    replace_copy(nums.begin(), nums.end(), back_inserter(res), 3, 300); // res: [1,0,300,0,5]
    return 0;
}

2.4 remove、remove_if 与 erase

  • remove(begin, end, value)：将等于 value 的元素'移动'到容器末尾，返回新的逻辑尾迭代器（不实际删除元素，需配合 erase）。
  • remove_if(begin, end, predicate)：移动满足谓词的元素到末尾。
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> nums = {1, 2, 3, 2, 4};
    // 逻辑删除所有 2（移动到末尾）
    auto new_end = remove(nums.begin(), nums.end(), 2); // nums: [1,3,4,2,2]
    // 物理删除（真正移除元素）
    nums.erase(new_end, nums.end()); // nums: [1,3,4]
    // 结合 lambda 删除偶数
    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]
    return 0;
}

2.5 unique

移除范围内连续的重复元素，返回新的逻辑结尾迭代器。通常与 erase 结合使用。

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

int main() {
    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 变为{1, 2, 3, 4, 5}
    return 0;
}

2.6 reverse

反转范围内的元素顺序。

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

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
    std::reverse(vec.begin(), vec.end()); // vec 变为{5, 4, 3, 2, 1}
    return 0;
}

2.7 rotate

旋转范围内的元素，使中间元素成为新的第一个元素。

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

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
    std::rotate(vec.begin(), vec.begin() + 2, vec.end()); // 以 3 为起点旋转，vec 变为{3, 4, 5, 1, 2}
    return 0;
}

2.8 shuffle

随机重排范围内的元素（需要 C++11 或更高版本）。

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

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
    std::random_device rd;
    std::mt19937 g(rd());
    std::shuffle(vec.begin(), vec.end(), g); // 随机打乱 vec 中的元素
    return 0;
}

3. 排序和相关算法

3.1 sort、stable_sort 与 partial_sort

  • sort(begin, end)：对元素进行快速排序（不稳定，平均时间复杂度 O(n log n)）。
  • stable_sort(begin, end)：稳定排序（相等元素相对位置不变）。
  • partial_sort(begin, mid, end)：部分排序，使 [begin, mid) 为整个范围中最小的元素并排序。
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <functional>
using namespace std;

int main() {
    std::vector<int> vec = {5, 3, 1, 4, 2};
    std::sort(vec.begin(), vec.end()); // 默认升序，vec 变为{1, 2, 3, 4, 5}
    std::sort(vec.begin(), vec.end(), std::greater<int>()); // 降序，vec 变为{5, 4, 3, 2, 1}
    std::sort(vec.begin(), vec.end(), [](int a, int b) { return a < b; }); // 升序，自定义比较
    std::vector<std::pair<int, int>> vec2 = {{1, 2}, {2, 1}, {1, 1}, {2, 2}};
    std::stable_sort(vec2.begin(), vec2.end(), [](const auto& a, const auto& b) { return a.first < b.first; // 按 first 排序，保持相等元素的相对顺序 });
    std::vector<int> vec3 = {5, 3, 1, 4, 2, 6};
    // 将最小的 3 个元素放在前面并排序
    std::partial_sort(vec3.begin(), vec3.begin() + 3, vec3.end()); // 现在 vec3 前三个元素是 1, 2, 3，后面是未排序的 4, 5, 6
    return 0;
}

3.2 nth_element

重新排列范围，使得指定位置的元素等于排序后的元素，并且左边的元素都不大于它，右边的元素都不小于它。

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

int main() {
    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()); // 现在 vec[2] 是 3，它左边的元素<=3，右边的>=3
    return 0;
}

3.3 binary_search、lower_bound、upper_bound

需在已排序的容器上使用。

  • binary_search(begin, end, value)：判断 value 是否存在（返回 bool）。
  • lower_bound(begin, end, value)：返回第一个不小于 value 的元素迭代器。
  • upper_bound(begin, end, value)：返回第一个大于 value 的元素迭代器。
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> sorted = {1, 3, 3, 5, 7}; // 必须先排序
    // 判断 3 是否存在
    bool exists = binary_search(sorted.begin(), sorted.end(), 3); // true
    // 查找第一个>=3 的元素
    auto lb = lower_bound(sorted.begin(), sorted.end(), 3);
    cout << "lower_bound index: " << lb - sorted.begin() << endl; // 输出：1
    // 查找第一个>3 的元素
    auto ub = upper_bound(sorted.begin(), sorted.end(), 3);
    cout << "upper_bound index: " << ub - sorted.begin() << endl; // 输出：3
    return 0;
}

3.4 merge

合并两个已排序的范围到新容器（保持排序）。

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

int main() {
    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]
    return 0;
}

4. 堆算法

STL 提供了将范围作为堆来操作的算法，包括 make_heap, push_heap, pop_heap, sort_heap 等。

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

int main() {
    std::vector<int> vec = {4, 1, 3, 2, 5};
    std::make_heap(vec.begin(), vec.end()); // 构建最大堆，vec 变为{5, 4, 3, 2, 1}
    vec.push_back(6);
    std::push_heap(vec.begin(), vec.end()); // 将新元素加入堆，vec 变为{6, 4, 5, 2, 1, 3}
    std::pop_heap(vec.begin(), vec.end()); // 将最大元素移到末尾，vec 变为{5, 4, 3, 2, 1, 6}
    int max_val = vec.back(); // 获取最大元素 6
    vec.pop_back(); // 移除最大元素
    std::sort_heap(vec.begin(), vec.end()); // 将堆排序为升序序列，vec 变为{1, 2, 3, 4, 5}
    return 0;
}

5. 最小/最大值算法

5.1 min 和 max

返回两个值或初始化列表中的最小/最大值。

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

int main() {
    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
    return 0;
}

5.2 min_element 和 max_element

返回范围内的最小/最大元素的迭代器。

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

int main() {
    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
    return 0;
}

5.3 minmax_element (C++11)

同时返回范围内的最小和最大元素的迭代器。

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

int main() {
    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
    return 0;
}

6. 数值算法（在中）

6.1 accumulate

计算范围内元素的累加和（或自定义操作）。

#include <vector>
#include <numeric>
#include <functional>
using namespace std;

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
    int sum = std::accumulate(vec.begin(), vec.end(), 0); // 和，初始值为 0，结果为 15
    int product = std::accumulate(vec.begin(), vec.end(), 1, std::multiplies<int>()); // 乘积，初始值为 1，结果为 120
    return 0;
}

6.2 inner_product

计算两个范围的内积（或自定义操作）。

#include <vector>
#include <numeric>
using namespace std;

int main() {
    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
    return 0;
}

6.3 iota

用连续递增的值填充范围。

#include <vector>
#include <numeric>
using namespace std;

int main() {
    std::vector<int> vec(5);
    std::iota(vec.begin(), vec.end(), 10); // 填充为 10, 11, 12, 13, 14
    return 0;
}

6.4 partial_sum

计算部分和，将结果存储在目标范围内。

#include <vector>
#include <numeric>
using namespace std;

int main() {
    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 变为{1, 3, 6, 10, 15}
    return 0;
}

6.5 adjacent_difference

计算相邻元素的差值，将结果存储在目标范围内。

#include <vector>
#include <numeric>
using namespace std;

int main() {
    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 变为{1, 1, 1, 1, 1}
    return 0;
}

7. 其他

7.1 generate

用生成函数填充范围。

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

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

7.2 generate_n

用生成函数填充范围的开始 n 个元素。

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

int main() {
    std::vector<int> vec(5);
    int n = 10;
    std::generate_n(vec.begin(), 3, [&n]() { return n++; }); // 前三个元素为 10, 11, 12，后两个保持不变
    return 0;
}

7.3 includes

检查一个排序范围是否包含另一个排序范围的所有元素。

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

int main() {
    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
    return 0;
}

7.4 set_union, set_intersection, set_difference, set_symmetric_difference

执行集合操作：并集、交集、差集和对称差集。

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

int main() {
    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 为{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 为{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 为{1, 2}
    // 对称差集 (v1 ∪ v2 - v1 ∩ v2)
    result.clear();
    std::set_symmetric_difference(v1.begin(), v1.end(), v2.begin(), v2.end(), std::back_inserter(result)); // result 为{1, 2, 6, 7}
    return 0;
}

8. 常见问题

  1. sort 与 stable_sort 的区别？
    • sort 采用快速排序（实际是 introsort 算法），不稳定（相等元素的相对位置可能改变），平均时间复杂度 O(n log n)。
    • stable_sort 采用归并排序，稳定（相等元素相对位置不变），时间复杂度 O(n log n)，但空间开销略大。
  2. 为什么 remove 算法需要配合 erase 使用？ remove 算法的原理是'覆盖'要删除的元素，将保留的元素移到前面，返回新的逻辑尾迭代器，但不修改容器的实际大小。erase 则通过迭代器范围真正删除元素，修改容器大小。因此需结合使用：container.erase(remove(...), container.end())。
  3. 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，这些算法依赖有序性实现高效操作（如二分查找 O(log n)）。

目录

  1. 1. 非修改序列算法
  2. 1.1 find 和 find_if
  3. 1.2 count 和 count_if
  4. 1.3 for_each
  5. 1.4 equal 与 mismatch
  6. 1.5 allof, anyof, none_of
  7. 2. 修改序列算法
  8. 2.1 copy 和 copy_if
  9. 2.2 transform
  10. 2.3 replace、replaceif 与 replacecopy
  11. 2.4 remove、remove_if 与 erase
  12. 2.5 unique
  13. 2.6 reverse
  14. 2.7 rotate
  15. 2.8 shuffle
  16. 3. 排序和相关算法
  17. 3.1 sort、stablesort 与 partialsort
  18. 3.2 nth_element
  19. 3.3 binarysearch、lowerbound、upper_bound
  20. 3.4 merge
  21. 4. 堆算法
  22. 5. 最小/最大值算法
  23. 5.1 min 和 max
  24. 5.2 minelement 和 maxelement
  25. 5.3 minmax_element (C++11)
  26. 6. 数值算法（在<numeric>中）
  27. 6.1 accumulate
  28. 6.2 inner_product
  29. 6.3 iota
  30. 6.4 partial_sum
  31. 6.5 adjacent_difference
  32. 7. 其他
  33. 7.1 generate
  34. 7.2 generate_n
  35. 7.3 includes
  36. 7.4 setunion, setintersection, setdifference, setsymmetric_difference
  37. 8. 常见问题

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