حاويات STL

جزء من قسم Object Oriented Programming في رحلة C++ على Coddy — الدرس 71 من 104.

حاويات STL هي فئات قوالب (template classes) تقوم بتخزين وتنظيم مجموعات من الكائنات. كل نوع من الحاويات مُحسّن لأنماط وصول وعمليات مختلفة. إن اختيار الحاوية المناسبة لاحتياجاتك يمكن أن يؤثر بشكل كبير على أداء برنامجك.

حاويات التسلسل تحافظ على العناصر بترتيب معين:

#include <vector>
#include <list>

std::vector<int> vec = {1, 2, 3};  // مصفوفة ديناميكية، وصول عشوائي سريع
vec.push_back(4);                   // إضافة إلى النهاية: O(1) مستهلك
int x = vec[2];                     // الوصول عبر الفهرس: O(1)

std::list<int> lst = {1, 2, 3};    // قائمة مرتبطة بشكل مزدوج
lst.push_front(0);                  // إضافة إلى البداية: O(1)
lst.push_back(4);                   // إضافة إلى النهاية: O(1)

الحاويات الترابطية تخزن العناصر بترتيب فرز لعمليات بحث سريعة:

#include <map>
#include <set>

std::set<int> s = {3, 1, 4, 1};    // عناصر فريدة مرتبة: {1, 3, 4}
s.insert(2);                        // إدراج: O(log n)
bool found = s.count(3);            // التحقق من الوجود: O(log n)

std::map<std::string, int> ages;   // أزواج مفتاح-قيمة، مرتبة حسب المفتاح
ages["Alice"] = 25;                 // إدراج/تحديث: O(log n)
ages["Bob"] = 30;
std::cout << ages["Alice"];        // الوصول: O(log n)

تستخدم الحاويات غير المرتبة (Unordered containers) جداول التجزئة (hash tables) لعمليات بحث أسرع في الحالات المتوسطة:

#include <unordered_map>

std::unordered_map<std::string, int> scores;
scores["player1"] = 100;            // الإدراج: O(1) في المتوسط
scores["player2"] = 200;
std::cout << scores["player1"];    // الوصول: O(1) في المتوسط

استخدم vector عندما تحتاج إلى وصول عشوائي سريع، و list للإدراج المتكرر في المنتصف، و map/set عندما تحتاج إلى بيانات مرتبة، و unordered_map عندما تكون سرعة البحث أمراً بالغ الأهمية ولا يهم الترتيب.

التحدي

سهل

لنقم ببناء نظام لإدارة درجات الطلاب يوضح كيف تخدم حاويات STL المختلفة أغراضاً متنوعة. ستستخدم أنواعاً متعددة من الحاويات لتنظيم بيانات الطلاب بكفاءة، مع اختيار الحاوية المناسبة لكل مهمة.

ستقوم بإنشاء ملفين لتنظيم الكود الخاص بك:

GradeManager.h: قم بتعريف فئة GradeManager تستخدم حاويات STL متعددة لإدارة معلومات الطلاب.
يجب أن تستخدم فئتك:
- std::vector<std::string> لتخزين أسماء الطلاب بالترتيب الذي تمت إضافتهم به
- std::map<std::string, int> لربط اسم كل طالب بدرجته
- std::set<int> لتتبع جميع الدرجات الفريدة التي تم تعيينها
قم بتنفيذ هذه الدوال:
- addStudent(const std::string& name, int grade) — يضيف طالباً مع درجته إلى الحاويات الثلاث جميعاً
- getGrade(const std::string& name) — يعيد الدرجة لاسم طالب معين باستخدام الخريطة (map)
- printRoster() — يطبع جميع أسماء الطلاب بالترتيب الذي تمت إضافتهم به (من المتجه vector)، كل اسم في سطر جديد
- printGrades() — يطبع جميع الطلاب مع درجاتهم بترتيب أبجدي (تتعامل الخريطة map مع هذا تلقائياً)، بتنسيق name: grade في كل سطر
- printUniqueGrades() — يطبع جميع الدرجات الفريدة بترتيب تصاعدي (تتعامل المجموعة set مع هذا)، مفصولة بمسافات متبوعة بسطر جديد
main.cpp: قراءة المدخلات وتوضيح كيف يخدم كل نوع من الحاويات غرضاً مختلفاً.
اقرأ ستة مدخلات (كل منها في سطر منفصل):
1. اسم الطالب الأول
2. درجة الطالب الأول (عدد صحيح)
3. اسم الطالب الثاني
4. درجة الطالب الثاني (عدد صحيح)
5. اسم الطالب الثالث
6. درجة الطالب الثالث (عدد صحيح)
قم بإنشاء GradeManager وأضف الطلاب الثلاثة جميعاً. ثم وضح سلوكيات الحاويات المختلفة:
1. اطبع Roster (insertion order): متبوعاً باستدعاء printRoster()
2. اطبع Grades (alphabetical): متبوعاً باستدعاء printGrades()
3. اطبع Unique grades: متبوعاً باستدعاء printUniqueGrades()
4. ابحث عن درجة الطالب الثاني واطبع <name>'s grade: <grade>

على سبيل المثال، مع المدخلات Charlie، 85، Alice، 90، Bob، 85:

Roster (insertion order):
Charlie
Alice
Bob
Grades (alphabetical):
Alice: 90
Bob: 85
Charlie: 85
Unique grades:
85 90 
Alice's grade: 90

لاحظ كيف يحافظ المتجه (vector) على ترتيب الإدخال (Charlie, Alice, Bob)، وتقوم الخريطة (map) بالفرز تلقائياً حسب المفتاح (Alice, Bob, Charlie)، وتخزن المجموعة (set) القيم الفريدة فقط بترتيب فرز (تظهر 85 مرة واحدة، وليس مرتين). كل نوع من الحاويات يتفوق في مهام مختلفة!

ورقة مرجعية

حاويات STL هي فئات قوالب (template classes) لتخزين وتنظيم مجموعات من الكائنات. كل نوع مُحسّن لعمليات مختلفة.

حاويات التسلسل (Sequence Containers)

تحافظ على العناصر بترتيب معين:

#include <vector>
#include <list>

std::vector<int> vec = {1, 2, 3};  // مصفوفة ديناميكية، وصول عشوائي سريع
vec.push_back(4);                   // إضافة إلى النهاية: O(1) amortized
int x = vec[2];                     // الوصول عبر الفهرس: O(1)

std::list<int> lst = {1, 2, 3};    // قائمة مرتبطة بشكل مزدوج
lst.push_front(0);                  // إضافة إلى البداية: O(1)
lst.push_back(4);                   // إضافة إلى النهاية: O(1)

الحاويات الترابطية (Associative Containers)

تخزن العناصر بترتيب فرز للبحث السريع:

#include <map>
#include <set>

std::set<int> s = {3, 1, 4, 1};    // عناصر فريدة مرتبة: {1, 3, 4}
s.insert(2);                        // إدراج: O(log n)
bool found = s.count(3);            // التحقق من الوجود: O(log n)

std::map<std::string, int> ages;   // أزواج مفتاح-قيمة، مرتبة حسب المفتاح
ages["Alice"] = 25;                 // إدراج/تحديث: O(log n)
ages["Bob"] = 30;
std::cout << ages["Alice"];        // الوصول: O(log n)

الحاويات غير المرتبة (Unordered Containers)

تستخدم جداول التجزئة (hash tables) لبحث أسرع في الحالة المتوسطة:

#include <unordered_map>

std::unordered_map<std::string, int> scores;
scores["player1"] = 100;            // إدراج: O(1) في المتوسط
scores["player2"] = 200;
std::cout << scores["player1"];    // الوصول: O(1) في المتوسط

اختيار الحاوية المناسبة

vector: وصول عشوائي سريع
list: عمليات إدراج متكررة في المنتصف
map/set: الحاجة إلى بيانات مرتبة
unordered_map: سرعة البحث أمر بالغ الأهمية، والترتيب لا يهم

جرّب بنفسك

#include <iostream>
#include <string>
#include "GradeManager.h"

using namespace std;

int main() {
    // قراءة المدخلات لثلاثة طلاب
    string name1, name2, name3;
    int grade1, grade2, grade3;
    
    cin >> name1;
    cin >> grade1;
    cin >> name2;
    cin >> grade2;
    cin >> name3;
    cin >> grade3;
    
    // TODO: إنشاء كائن GradeManager
    
    // TODO: إضافة جميع الطلاب الثلاثة إلى GradeManager
    
    // TODO: طباعة "Roster (insertion order):" واستدعاء printRoster()
    
    // TODO: طباعة "Grades (alphabetical):" واستدعاء printGrades()
    
    // TODO: طباعة "Unique grades:" واستدعاء printUniqueGrades()
    
    // TODO: البحث عن درجة الطالب الثاني وطباعة "<name>'s grade: <grade>"
    
    return 0;
}