C++ 修改序列操作

在C++的STL（标准模板库）中，修改序列操作是一组能够修改容器内元素的算法。这些算法可以帮助我们对序列进行复制、替换、填充、删除等操作，大大简化了对容器内元素的处理。本文将详细介绍这些修改序列操作的使用方法和实际应用场景。

修改序列操作概述

修改序列操作主要位于<algorithm>头文件中，它们接受迭代器作为参数，对迭代器指向的序列进行修改。常用的修改序列操作包括：

复制操作：copy, copy_if, copy_n, copy_backward等
替换操作：replace, replace_if, replace_copy等
填充操作：fill, fill_n, generate, generate_n等
移除操作：remove, remove_if, remove_copy等
独特化操作：unique, unique_copy等
交换和重排操作：swap, iter_swap, swap_ranges, reverse, rotate等

复制操作

复制操作是最基础的序列修改操作，用于将一个序列的元素复制到另一个序列中。

copy

copy算法将一个范围内的元素复制到另一个位置：

cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> source = {1, 2, 3, 4, 5};
    std::vector<int> destination(5);
    
    // 将source中的元素复制到destination中
    std::copy(source.begin(), source.end(), destination.begin());
    
    // 打印destination中的元素
    for (int num : destination) {
        std::cout << num << " ";
    }
    // 输出: 1 2 3 4 5
    
    return 0;
}

copy_if

copy_if算法根据指定条件将元素复制到另一个位置：

cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> source = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
    std::vector<int> destination;
    
    // 预留空间以提高效率
    destination.reserve(source.size());
    
    // 将source中的偶数复制到destination中
    std::copy_if(source.begin(), source.end(), 
                std::back_inserter(destination), 
                [](int n) { return n % 2 == 0; });
    
    // 打印destination中的元素
    for (int num : destination) {
        std::cout << num << " ";
    }
    // 输出: 2 4 6 8 10
    
    return 0;
}

提示

使用std::back_inserter创建一个插入迭代器，每次赋值时都会在容器末尾插入新元素，避免了预先分配空间大小的问题。

替换操作

替换操作用于将序列中满足特定条件的元素替换为新值。

replace

replace算法将序列中所有等于给定值的元素替换为新值：

cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 2, 5, 2, 7, 8};
    
    // 将所有2替换为20
    std::replace(numbers.begin(), numbers.end(), 2, 20);
    
    // 打印替换后的结果
    for (int num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    // 输出: 1 20 3 20 5 20 7 8
    
    return 0;
}

replace_if

replace_if算法将序列中所有满足谓词条件的元素替换为新值：

cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8};
    
    // 将所有偶数替换为0
    std::replace_if(numbers.begin(), numbers.end(), 
                  [](int n) { return n % 2 == 0; }, 0);
    
    // 打印替换后的结果
    for (int num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    // 输出: 1 0 3 0 5 0 7 0
    
    return 0;
}

填充操作

填充操作用于将特定值或者根据生成器函数的结果填充到序列中。

fill

fill算法将指定的值填充到指定范围的每个元素：

cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> numbers(5);
    
    // 将向量中的所有元素设置为10
    std::fill(numbers.begin(), numbers.end(), 10);
    
    // 打印结果
    for (int num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    // 输出: 10 10 10 10 10
    
    return 0;
}

generate

generate算法将生成器函数的结果填充到指定范围的每个元素：

cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <random>

int main() {
    std::vector<int> numbers(5);
    std::random_device rd;
    std::mt19937 gen(rd());
    std::uniform_int_distribution<> dis(1, 100);
    
    // 用随机数填充向量
    std::generate(numbers.begin(), numbers.end(), [&]() { return dis(gen); });
    
    // 打印结果
    for (int num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    // 输出: 例如 45 23 78 91 12 (随机数)
    
    return 0;
}

移除操作

移除操作用于从序列中移除满足特定条件的元素。

警告

STL的移除操作并不会真正从容器中删除元素，它们只是将要保留的元素移动到序列的前部，并返回一个迭代器指向新的逻辑结尾。要真正删除元素，需要配合容器的erase方法使用。

remove

remove算法移除所有等于给定值的元素：

cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 2, 5, 2, 7, 8};
    
    // 移除所有值为2的元素
    auto new_end = std::remove(numbers.begin(), numbers.end(), 2);
    
    // 截断向量，真正删除元素
    numbers.erase(new_end, numbers.end());
    
    // 打印结果
    for (int num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    // 输出: 1 3 5 7 8
    
    return 0;
}

remove_if

remove_if算法移除所有满足谓词条件的元素：

cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8};
    
    // 移除所有偶数
    auto new_end = std::remove_if(numbers.begin(), numbers.end(), 
                                [](int n) { return n % 2 == 0; });
    
    // 截断向量，真正删除元素
    numbers.erase(new_end, numbers.end());
    
    // 打印结果
    for (int num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    // 输出: 1 3 5 7
    
    return 0;
}

独特化操作

独特化操作用于移除序列中的重复元素，使序列中的每个元素都是唯一的。

unique

unique算法移除序列中连续的重复元素（序列应该事先已排序）：

cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 2, 3, 3, 3, 4, 5, 5};
    
    // 移除连续重复元素
    auto new_end = std::unique(numbers.begin(), numbers.end());
    
    // 截断向量
    numbers.erase(new_end, numbers.end());
    
    // 打印结果
    for (int num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    // 输出: 1 2 3 4 5
    
    return 0;
}

注意

unique只能移除相邻的重复元素。如果想要移除所有重复元素，先使用sort排序，再使用unique。

交换和重排操作

交换和重排操作用于改变序列中元素的顺序。

swap

swap算法交换两个变量的值：

cpp
#include <iostream>
#include <algorithm>

int main() {
    int a = 5, b = 10;
    
    std::cout << "Before swap: a = " << a << ", b = " << b << std::endl;
    
    // 交换a和b的值
    std::swap(a, b);
    
    std::cout << "After swap: a = " << a << ", b = " << b << std::endl;
    // 输出: After swap: a = 10, b = 5
    
    return 0;
}

reverse

reverse算法将指定范围内的元素顺序反转：

cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
    
    // 反转序列
    std::reverse(numbers.begin(), numbers.end());
    
    // 打印结果
    for (int num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    // 输出: 5 4 3 2 1
    
    return 0;
}

rotate

rotate算法将序列中的元素进行旋转：

cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
    
    // 将序列旋转，使第3个元素（索引2）成为第一个元素
    std::rotate(numbers.begin(), numbers.begin() + 2, numbers.end());
    
    // 打印结果
    for (int num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    // 输出: 3 4 5 1 2
    
    return 0;
}

实际应用案例

案例1：数据过滤与转换

假设我们有一个学生成绩数据库，需要筛选出所有及格的学生（分数≥60）并将他们的分数提高5分作为奖励：

cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <algorithm>

struct Student {
    std::string name;
    int score;
    
    Student(const std::string& n, int s) : name(n), score(s) {}
};

int main() {
    // 学生数据
    std::vector<Student> allStudents = {
        {"Alice", 85}, {"Bob", 45}, {"Charlie", 90},
        {"David", 55}, {"Eve", 75}, {"Frank", 60}
    };
    
    std::vector<Student> passedStudents;
    
    // 筛选及格学生（分数≥60）
    std::copy_if(allStudents.begin(), allStudents.end(), 
                std::back_inserter(passedStudents),
                [](const Student& s) { return s.score >= 60; });
    
    // 给及格学生加5分奖励（最高不超过100分）
    std::for_each(passedStudents.begin(), passedStudents.end(), 
                [](Student& s) { s.score = std::min(s.score + 5, 100); });
    
    // 打印结果
    std::cout << "及格学生名单（加分后）：\n";
    for (const auto& student : passedStudents) {
        std::cout << student.name << ": " << student.score << std::endl;
    }
    
    return 0;
}

输出：

及格学生名单（加分后）：
Alice: 90
Charlie: 95
Eve: 80
Frank: 65

案例2：文本处理

假设我们需要处理一段文本，移除所有标点符号并将所有单词转换为小写：

cpp
#include <iostream>
#include <string>
#include <algorithm>
#include <cctype>

int main() {
    std::string text = "Hello, World! This is a C++ Program. Isn't it AMAZING?";
    
    // 将所有大写字母转换为小写
    std::transform(text.begin(), text.end(), text.begin(),
                 [](unsigned char c) { return std::tolower(c); });
    
    // 移除标点符号和空格
    auto newEnd = std::remove_if(text.begin(), text.end(),
                               [](unsigned char c) { 
                                   return std::ispunct(c) || std::isspace(c); 
                               });
    text.erase(newEnd, text.end());
    
    std::cout << "处理后的文本：" << text << std::endl;
    
    return 0;
}

输出：

处理后的文本：helloworldthisisacprogramisntitamazing

总结

C++ STL提供的修改序列操作是处理容器内元素的强大工具：

复制操作（如copy, copy_if）可以方便地复制元素。
替换操作（如replace, replace_if）可以替换满足特定条件的元素。
填充操作（如fill, generate）可以用特定值填充序列。
移除操作（如remove, remove_if）可以移除满足特定条件的元素。
独特化操作（如unique）可以移除重复元素。
交换和重排操作（如swap, reverse, rotate）可以改变元素位置。

这些算法大大简化了元素处理的代码量，提高了代码的可读性和效率。熟练掌握这些操作将让你的C++编程更加高效。

练习题

编写一个程序，使用replace_if将向量中所有负数替换为0。
使用remove_copy_if和back_inserter，将一个字符串中的元音字母复制到另一个字符串中。
编写一个程序，使用unique移除已排序数组中的所有重复元素。
使用rotate实现一个简单的循环队列。

参考资源

C++ Reference - Modifying sequence operations
C++ STL Algorithms Tutorial
Stroustrup, Bjarne. "The C++ Programming Language", 4th Edition.

修改序列操作概述​

复制操作​

copy​

copy_if​

替换操作​

replace​

replace_if​

填充操作​

fill​

generate​

移除操作​

remove​

remove_if​

独特化操作​

unique​

交换和重排操作​

swap​

reverse​

rotate​

实际应用案例​

案例1：数据过滤与转换​

案例2：文本处理​

总结​

练习题​

参考资源​