C++ std::adjacent_difference

std::adjacent_difference 是 C++ 中的一个函数，它计算序列中相邻元素之间的差值，并将结果存储在另一个序列中。它是 标准模板库 (STL) 的一部分，对于分析系列中值从一个元素到下一个元素的变化特别有用。

基本思想是取一个值序列，例如容器中的一组数字，然后计算每个元素与其前一个元素之间的差值。然后将差值存储在单独的容器中，从而深入了解相邻元素之间的变化率或变化量。

术语 “相邻差值” 指的是计算序列或级数中连续元素对之间的差值。在给定的序列（如数组或列表）中，相邻差值表示每个元素与其相邻邻居之间的变化或间隙。

因此，在编程和算法的上下文中，计算相邻差值是分析一系列值中的变化或趋势的一种方式。C++ 中的 std::adjacent_difference 函数是自动化给定元素范围此计算的便捷工具。

以下是其功能细分

基本用法

它操作由两个 迭代器 （first 和 last）定义的范围。

它计算相邻元素之间的差值，并将结果存储在由输出迭代器（d_first）定义的另一个范围中。

可选自定义操作

虽然默认行为是从每个元素的 前驱 中减去该元素；您可以提供自定义二进制操作来定义如何计算差值。

用例

• 分析时间序列数据（例如，股票价格、温度读数）的变化。
• 计算数值序列中的一阶差分。
• 查找一组值中的变化率。

不带自定义异常处理

当我们说“不带自定义异常处理”时，我们的意思是代码不包含对异常情况或 错误 的特定检查，并且在出现问题时依赖函数的默认行为。假设在执行 std::adjacent_difference 等函数时发生异常。在这种情况下，它将一直传播到调用堆栈，直到被适当的 catch 块捕获，或者程序可能因错误消息而终止。

示例

这是一个不带自定义异常处理的示例代码

输出

Original sequence: 1 4 6 9 12 
Adjacent differences: 1 3 2 3 3 
An exception occurred: Input sequence must have at least two elements.

说明

在此示例中，定义了 calculateAdjacentDifferences 函数来 封装 带自定义异常处理的相邻差值计算。它检查输入序列是否至少有两个元素，如果没有，则抛出 std::invalid_argument 异常。

函数 calculateAdjacentDifferences

• 此函数将整数向量作为输入参数，并计算相邻差值。在执行计算之前，它会检查输入向量的 大小 是否小于 2。
• 如果是，它会抛出带有特定 错误消息 的 std::invalid_argument 异常。这是一种自定义异常处理形式，用于确保输入序列具有足够的元素来计算相邻差值。

main 函数

• main 函数演示了此自定义函数在有效和无效输入序列上的用法。
• calculateAdjacentDifferences 函数中的自定义异常处理可确保程序不会继续处理无效输入，并且任何异常都会在 main 函数的 catch 块中被捕获和处理。

有效输入序列

• 它创建一个元素为 {1, 4, 6, 9, 12} 的向量 validSequence。
• 调用 calculateAdjacentDifferences 并传入有效序列。
• 打印原始序列和计算出的相邻差值。

无效输入序列

• 它创建了一个 vector invalidSequence，只有一个元素 ({7})，少于所需的两个元素。
• 使用无效序列调用 calculateAdjacentDifferences。
• 由于无效输入触发了 calculateAdjacentDifferences 函数中的异常，程序将不会执行此后的代码。

异常处理

• try 块用于捕获执行期间抛出的异常。
• catch 块捕获 std::exception（或其任何派生类型）类型的异常，并将错误消息打印到标准错误流。
• 此代码提供了一种更健壮的方法来处理输入序列的潜在问题，并演示了如何将自定义异常处理与 std::adjacent_difference 函数结合使用。

复杂度分析

时间复杂度

calculateAdjacentDifferences 函数

std::adjacent_difference 函数具有线性时间复杂度，因为它会遍历输入范围一次。

检查输入向量大小（input. size() < 2）是恒定时间操作。

main 函数

在有效和无效示例中创建向量和遍历它们都具有线性时间复杂度，因为它们取决于向量的大小。

整个程序的 time complexity 由 calculateAdjacentDifferences 函数主导，并且保持线性 (O(N))，其中 N 是输入向量的大小。

空间复杂度

calculateAdjacentDifferences 函数

空间复杂度为 O(N)，其中 N 是输入向量的大小。这是因为函数会创建一个向量（differences）来存储相邻差值。

main 函数

这里的空间复杂度也为 O(N)，其中 N 是较大向量（validSequence 或 invalidSequence）的大小。两个向量都用于存储整数值。

空间复杂度也为 线性 (O(N))，这主要归因于用于存储输入序列和计算出的相邻差值的向量。

带自定义异常处理

自定义异常处理 是一种编程实践，涉及使用用户定义的异常来定义和处理程序中的特定错误条件。异常是在程序执行期间可能发生的事件，会中断正常流程，而自定义异常处理 允许开发人员 以符合其应用程序要求的方式响应这些异常情况。

自定义异常处理通过提供对异常条件的显式检查和信息丰富的错误消息来增强代码的 健壮性。它允许更好地控制和理解程序在面对意外情况时的行为。

“带自定义异常处理” 意味着代码包含对某些条件的显式检查，如果未满足这些条件，它将抛出并捕获自定义异常来更优雅地处理异常情况。

程序

输出

Original sequence: 1 4 6 9 12 
Adjacent differences: 1 3 2 3 3 
An exception occurred: Input sequence must have at least two elements.

说明

calculateAdjacentDifferences 函数

函数签名

std::vector calculateAdjacentDifferences(const std::vector& input): 此函数将整数向量的常量引用作为输入，并返回一个整数向量。

自定义异常处理

函数首先进行检查：如果输入向量的大小小于 2，则抛出 std::invalid_argument 异常。

throw 语句会生成一个具有描述性错误消息的异常对象，表明输入序列至少需要两个元素。

计算相邻差值

如果输入序列通过大小检查，则函数继续使用 std::adjacent_difference 计算相邻差值。

结果存储在一个名为 differences 的新向量中。

Return Statement (返回语句)

函数返回包含计算出的相邻差值的向量。

main 函数

Try-Catch 块

main 函数 包装 在 try 块中，表示它正在监视潜在的异常。

有效输入序列示例

创建了一个 vector validSequence，元素为 {1, 4, 6, 9, 12}。

使用有效序列调用 calculateAdjacentDifferences 函数，并将结果存储在 validDifferences 中。

将原始序列和计算出的相邻差值打印到控制台。

无效输入序列示例

创建了一个 vector invalidSequence，只有一个元素 ({7})，少于所需的两个元素。

使用 无效序列 调用 calculateAdjacentDifferences 函数。

由于无效输入触发了 calculateAdjacentDifferences 函数中的异常，程序将不会执行此后的代码。

Catch 块

catch 块捕获 std::exception（或其任何派生类型）类型的异常。

它使用 e.what() 将错误消息打印到标准错误流，该函数检索与抛出的异常相关的错误消息。

总结

calculateAdjacentDifferences 函数封装了计算相邻差值的逻辑，并包含一个对有效输入大小的检查，如果条件不满足则抛出自定义异常。

main 函数演示了此函数在有效和无效输入序列上的使用，展示了如何使用自定义异常处理来确保程序能够优雅地处理异常情况。

此代码结构通过在处理无效输入条件时提供特定的错误消息来提高程序的 可靠性，使其更易于维护和调试。

复杂度分析

时间复杂度

主要操作是对 std::adjacent_difference 的调用，它具有线性时间复杂度，因为它会遍历输入范围一次。

检查输入向量的大小（input. size() < 2）是恒定时间操作。

遍历向量并打印它们具有 线性时间复杂度，因为它取决于向量的大小。

整个程序的 time complexity 由 calculateAdjacentDifferences 函数主导，并且保持线性 (O(N))，其中 N 是输入向量的大小。

空间复杂度

空间复杂度为 O(N)，其中 N 是输入向量的大小。这是因为函数会创建一个向量（differences）来存储相邻差值。

这里的空间复杂度也为 O(N)，其中 N 是较大向量（validSequence 或 invalidSequence）的大小。两个向量都用于存储整数值。

空间复杂度也为线性（O(N)），这主要归因于输入序列和计算出的差值在向量中的存储。

关键区别

异常处理（带自定义异常处理）

带自定义异常处理的代码在 calculateAdjacentDifferences 函数中包含一个检查，以确保输入序列至少有两个元素。如果没有，则抛出 std::invalid_argument 异常。

main 函数包含一个 try-catch 块来捕获 std::exception 类型的异常。如果在 calculateAdjacentDifferences 函数中抛出自定义异常，则在此块中将其捕获，并打印错误消息。

处理无效输入（带自定义异常处理）

通过自定义异常处理，程序会显式检查并处理输入序列元素不足的情况。它会抛出并捕获带有有意义错误消息的自定义异常。

不带自定义异常处理，程序不会显式检查输入序列的有效性。如果在计算相邻差值期间出现问题，可能会导致未定义行为或不正确的结果。

代码健壮性（带自定义异常处理）

带自定义 异常处理 的版本更健壮，因为它会预见并优雅地处理特定的错误条件。它提供清晰的错误消息，有助于识别和解决问题。

如果输入序列不满足算法的假设，则不带自定义异常处理的版本更容易出现意外行为。

总之，自定义异常处理通过提供对异常条件的显式检查和信息丰富的错误消息，增强了代码的 健壮性。它允许更好地控制和理解程序在面对意外情况时的行为。