突破编程_C++_STL教程（ fill 算法）

1 std::fill 算法的概念与用途

std::fill 是C++标准模板库（STL）中的一个算法，它用于为容器（如向量、列表、数组等）中指定范围内的所有元素分配相同的值。std::fill 算法的概念基于两个主要部分：范围和值。范围指的是容器中的一段连续元素，通常由一个起始迭代器和一个结束迭代器定义；值则是要分配给这段范围内所有元素的单个值。

std::fill 的主要用途包括：

• 初始化容器：当创建一个新的容器并希望其所有元素都具有相同的初始值时，可以使用 std::fill。例如，可以创建一个整数向量并用零填充它。
• 重置容器内容：如果需要将容器中的所有元素重置为某个特定值，std::fill 是一个高效的选择。这在准备容器以进行新的计算或数据处理时特别有用。
• 快速赋值操作：对于大型容器，使用 std::fill 可以比使用循环结构更快地填充相同的值，因为它利用了 STL 算法的内部优化。

使用 std::fill 时，需要注意以下几点：

• 需要包含 <algorithm> 头文件以访问 std::fill。
• 提供给 std::fill 的值类型必须与容器中的元素类型兼容。
• 结束迭代器指向的是要填充范围之外的第一个元素，因此范围实际上包括起始迭代器指向的元素，但不包括结束迭代器指向的元素。

2 std::fill 算法基础

2.1 std::fill 算法的定义与语法

（1）定义：

std::fill 函数定义于 STL 的 <algorithm> 算法库中，该库提供了大量用于在元素范围上进行操作的函数，如查找、排序、计数等。范围通常定义为 [first, last)，其中 first 是指向范围起始位置的迭代器，而 last 是指向范围结束位置的下一个元素的迭代器，也就是说，last 并不包含在填充范围内。

（2）语法：

std::fill 函数的语法如下：

std::fill(iterator start, iterator end, const T& value);

其中：

• iterator start：指向要填充范围起始位置的迭代器。
• iterator end：指向要填充范围结束位置的下一个元素的迭代器。
• const T& value：要赋给范围内所有元素的值。这里的T是一个类型占位符，代表 value 的实际类型，它必须与容器元素的类型兼容。

（3）返回值：

std::fill 函数没有返回值，即其返回类型为 void。该函数会直接修改容器中的元素，将指定范围内的所有元素设置为给定的 value。

2.2 std::fill 算法的基本使用示例

std::fill 算法的基本使用示例非常直观，它涉及到定义一个容器（比如 std::vector），然后使用 std::fill 函数将容器中的元素填充为指定的值。下面是一个简单的例子：

#include <iostream>  
#include <vector>  
#include <algorithm>  
  
int main() 
{  
    // 创建一个包含10个元素的整数向量，并初始化为0（这是vector的默认行为）  
    std::vector<int> vec(10);  
  
    // 使用 std::fill 算法将向量中的所有元素填充为 12  
    std::fill(vec.begin(), vec.end(), 12);  
  
    // 输出向量以验证填充结果  
    for (const auto& elem : vec) {  
        std::cout << elem << ' ';  
    }  
    std::cout << std::endl;  
  
    return 0;  
}

上面代码的输出为：

12 12 12 12 12 12 12 12 12 12

这个例子首先包含了必要的头文件：<iostream> 用于输入输出，<vector> 用于使用 std::vector 容器，<algorithm> 包含了 std::fill 算法。

在 main 函数中，创建了一个包含 10 个元素的 std::vector类型的向量vec。默认情况下，std::vector 的构造函数会将所有元素初始化为该类型的默认值，对于 int 类型，默认值是0。

接着，调用了 std::fill 函数，传递了三个参数：向量的起始迭代器（()），向量的结束迭代器（()），以及要填充的值（12）。std::fill函数会遍历向量中的每个元素，并将它们设置为指定的值。

最后，使用一个范围 for 循环来遍历向量并输出每个元素的值，以验证 std::fill 函数是否正确地将所有元素填充为了 12。

3 std::fill 算法的高级用法

3.1 使用 std::fill_n 函数填充指定数量的元素

std::fill_n 是 C++ 标准模板库（STL）中的一个算法，用于填充容器中的前 n 个元素为指定的值。当只需要填充容器中一部分元素而不是全部时，可以使用这个函数。它的语法如下：

std::fill_n(iterator first, size_t count, const T& value);

其中：

• iterator first：指向要填充的第一个元素的迭代器。
• size_t count：要填充的元素数量。
• const T& value：要赋给指定数量元素的值。

std::fill_n 将会从 first 指向的元素开始，填充接下来的 count 个元素为 value。如果 first 指向的容器中的元素少于 count 个，则行为是未定义的（即可能会导致程序崩溃或其他错误）。

以下是一个使用 std::fill_n 的基本示例：

#include <iostream>  
#include <vector>  
#include <algorithm>  
  
int main() 
{  
    // 创建一个包含 10 个元素的整数向量，并初始化为 0  
    std::vector<int> vec(10);  
  
    // 使用 std::fill_n 算法填充向量中的前 5 个元素为 12  
    std::fill_n(vec.begin(), 5, 12);  
  
    // 输出向量以验证填充结果  
    for (const auto& elem : vec) {  
        std::cout << elem << ' ';  
    }  
    std::cout << std::endl;  
  
    return 0;  
}

上面代码的输出为：

12 12 12 12 12 0 0 0 0 0

这个例子创建了一个大小为 10 的整数向量 vec，然后使用 std::fill_n 填充前 5 个元素为 12。
需要注意的是，当使用 std::fill_n 时，需要确保提供的 count 不超过从 first 到容器末尾的元素数量。如果超过了，程序可能会访问到未定义的内存区域，导致不可预测的行为。因此，在使用 std::fill_n 时，务必检查容器大小以及尝试填充的元素数量。

3.2 std::fill 算法与其他 STL 算法结合使用

STL 算法库提供了许多其他算法，它们可以单独使用，也可以与 std::fill 结合使用，以实现更复杂的序列操作。下面是一些 std::fill 与其他 STL 算法结合使用的示例和详细讲解。

（1）与遍历算法结合使用

遍历算法如 std::for_each 可以用于对容器中的每个元素执行某个操作。可以先用 std::fill 填充容器，然后用 std::for_each 遍历并处理这些元素。

#include <iostream>  
#include <vector>  
#include <algorithm>  
  
void print_element(int value) {  
    std::cout << value << ' ';  
}  
  
int main() {  
    std::vector<int> vec(10);  
    std::fill(vec.begin(), vec.end(), 12); // 填充容器  
    std::for_each(vec.begin(), vec.end(), print_element); // 遍历并打印每个元素  
    return 0;  
}

上面代码的输出为：

12 12 12 12 12 12 12 12 12 12

在这个例子中，std::fill 首先被用来将vec的所有元素填充为 12。然后，std::for_each 被用来遍历容器中的每个元素，并对每个元素调用 print_element 函数，从而打印出每个元素的值。

（2）与转换算法结合使用

转换算法，如 std::transform，可以对容器中的每个元素应用一个函数或操作，并将结果存储到另一个容器中。可以先用 std::fill 填充一个容器，然后使用 std::transform 转换这些元素。

#include <iostream>  
#include <vector>  
#include <algorithm>  
#include <iterator>  
#include <functional> // 用于 std::plus  
  
int main() {  
    std::vector<int> vec(10);  
    std::fill(vec.begin(), vec.end(), 1); // 填充容器为1  
  
    std::vector<int> result(vec.size());  
    std::transform(vec.begin(), vec.end(), result.begin(), std::bind(std::plus<int>(), std::placeholders::_1, 5)); // 每个元素加5  
  
    // 输出结果  
    for (int val : result) {  
        std::cout << val << ' ';  
    }  
    std::cout << std::endl;  
  
    return 0;  
}

上面代码的输出为：

6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

在这个例子中，std::fill 首先被用来将 vec 的所有元素填充为 1。然后，std::transform 被用来将 vec 中的每个元素加5，并将结果存储在 result 容器中。这里使用了 std::bind 和 std::plus 来创建一个加 5 的函数对象。

（3）与排序和查找算法结合使用

还可以将 std::fill 与排序和查找算法结合使用。例如，可以先填充一个容器，然后对其进行排序，并使用查找算法来查找特定的元素。

#include <iostream>  
#include <vector>  
#include <algorithm>  
  
int main() {  
    std::vector<int> vec = {5, 3, 1, 4, 2};  
    std::fill(vec.begin(), vec.begin() + 3, 10); // 将前三个元素填充为10  
    std::sort(vec.begin(), vec.end()); // 对容器进行排序  
  
    // 查找元素  
    auto it = std::find(vec.begin(), vec.end(), 10);  
    if (it != vec.end()) {  
        std::cout << "Found 10 at position: " << std::distance(vec.begin(), it) << std::endl;  
    } else {  
        std::cout << "10 not found." << std::endl;  
    }  
  
    return 0;  
}

上面代码的输出为：

Found 10 at position: 2

在这个例子中，std::fill 首先被用来将 vec 的前三个元素填充为 10。然后，std::sort 被用来对容器进行排序。最后，std::find 被用来查找值为 10 的元素，并输出其位置。

这些只是 std::fill 与其他 STL 算法结合使用的一些基本示例。实际上，STL 提供了大量算法，它们可以灵活地组合在一起，以实现各种复杂的序列操作和处理任务。

3.3 自定义填充函数

std::fill算法本身并不直接支持自定义填充函数，因为它接受的是一个值而不是一个函数作为填充参数。然而，你可以通过结合其他STL算法，如std::generate或std::generate_n，来实现自定义填充函数的功能。

std::generate和std::generate_n算法可以生成一系列的值，并将它们赋给序列中的元素。它们接受一个函数对象（或lambda表达式），这个函数对象被用来生成每个元素的值。

假设有一个整数向量，并且你想要用自定义函数来填充它，例如，将每个元素设置为它的索引的平方。则可以这样做：

#include <iostream>  
#include <vector>  
#include <algorithm>  
#include <iterator>  

int main() {
	std::vector<int> vec(10);

	// 使用std::generate和自定义生成器函数填充容器  
	int offset = 0;
	std::generate(vec.begin(), vec.end(), [&]() {
		int val = offset * offset;
		offset++;
		return val;
		});

	// 输出结果  
	for (const auto& elem : vec) {
		std::cout << elem << ' ';
	}
	std::cout << std::endl;

	return 0;
}

上面代码的输出为：

0 1 4 9 16 25 36 49 64 81

上面代码使用 std::generate 来填充向量 vec。std::generate 接受三个参数：一个输出迭代器（指向要填充序列的起始位置），要生成的元素数量，以及一个函数对象或 lambda 表达式，用于生成每个元素的值。

注意：std::generate 的函数对象或 lambda 表达式的入参个数为 0 ，所以这里采用中间变量 offset 做数组遍历偏移处理。

4 优化 std::fill 操作的建议与技巧

优化 std::fill 操作的建议与技巧涉及多个方面，包括减少不必要的拷贝、选择正确的迭代器类型、以及利用底层数据结构的特性。下面是一些详细的建议：

（1）减少不必要的拷贝

在调用 std::fill 时，如果填充的值是一个大型对象或者需要复杂计算的对象，那么每次填充时都会进行拷贝操作。为了减少不必要的拷贝，可以考虑以下方法：

• 使用引用或指针：如果可能的话，可以传递对要填充的值的引用或指针，而不是值本身。这样可以避免在每次填充时都创建新的对象。
• 使用常量表达式：如果填充的值是一个常量表达式，那么编译器可能会进行优化，将其存储在寄存器中而不是每次从内存中加载。

（2）选择正确的迭代器类型

std::fill 需要迭代器来指定填充的范围。选择正确的迭代器类型可以影响性能：

• 随机访问迭代器：对于支持随机访问迭代器的容器（如 std::vector 和 std::array），std::fill 可以直接计算范围的大小，并使用循环来填充元素。这是最高效的方式。
• 前向迭代器：对于只支持前向迭代器的容器（如 std::list），std::fill 需要逐个遍历元素来填充。这种情况下，性能可能较差，因为无法直接计算范围的大小。

（3）利用底层数据结构的特性

不同的数据结构有不同的特性，可以影响 std::fill 的性能：

• 连续存储的数据结构：对于连续存储的数据结构（如 std::vector），std::fill 可以利用内存连续性来优化操作。例如，它可以使用 memset 或类似的底层函数来一次性填充多个字节。
• 非连续存储的数据结构：对于非连续存储的数据结构（如 std::list 或 std::deque），std::fill 需要逐个遍历和修改元素，这通常比连续存储的情况要慢。

（4）考虑并行化

如果你的应用程序允许并行处理，并且填充操作不会引入数据竞争，那么可以考虑使用并行算法来加速 std::fill。C++17 引入了并行算法库 ，它提供了并行版本的STL算法，包括 std::fill。然而，请注意，并行化并不总是带来性能提升，特别是在数据规模较小或并行化开销较大的情况下。

（5）使用内存预分配

如果已经知道将要填充的容器的大小，并且这个大小不会改变，那么可以在创建容器时预分配足够的内存。这样可以避免在填充过程中进行动态内存分配，从而提高性能。

（6）避免不必要的同步

在多线程环境中使用 std::fill 时，需要确保对容器的访问是线程安全的。不必要的同步操作（如互斥锁）可能会降低性能。如果可能的话，尽量在填充操作之前或之后进行同步，而不是在填充过程中。

（7）总结

优化 std::fill 操作的建议与技巧包括减少不必要的拷贝、选择正确的迭代器类型、利用底层数据结构的特性、考虑并行化、使用内存预分配以及避免不必要的同步。在实际应用中，需要根据具体的情况和需求来选择合适的优化策略。