C++ STL編程輕鬆入門 1

做爲C++標準不可缺乏的一部分,STL應該是滲透在C++程序的角角落落裏的。STL不是實驗室裏的寵兒,也不是程序員桌上的擺設,她的激動人心並不是曇花一現。本教程旨在傳播普及STL的基礎知識,若能借此機會爲STL的推廣作些力所能及的事情,到也是件讓人愉快的事情。 html

  1 初識STL:解答一些疑問ios

  1.1 一個最關心的問題:什麼是STL程序員

  "什麼是STL?",假如你對STL還知之甚少,那麼我想,你必定很想知道這個問題的答案,坦率地講,要期望用短短數言將這個問題闡述清楚,也決非易事。所以,若是你在看完本節以後仍是以爲似懂非懂,大可沒必要着急,在閱讀了後續內容以後,相信你對STL的認識,將會越發清晰、準確和完整。不過,上述這番話聽起來是否有點像是在爲本身糟糕的表達能力開脫罪責呢?:)web

  不知道你是否有過這樣的經歷。在你準備着手完成數據結構老師所佈置的家庭做業時,或者在你爲你所負責的某個軟件項目中添加一項新功能時,你發現須要用到一個鏈表(List)或者是映射表(Map)之類的東西,可是手頭並無現成的代碼。因而在你開始正式考慮程序功能以前,手工實現List或者Map是不可避免的。因而……,最終你順利完成了任務。或許此時,做爲一個具備較高素養的程序員的你還不願罷休(或者是一個喜歡偷懶的優等生:),由於你會想到,若是之後還遇到這樣的狀況怎麼辦?沒有必要再作一遍一樣的事情吧!算法

  若是說上述這種情形天天都在發生,或許有點誇張。可是,若是說整個軟件領域裏,數十年來確實都在爲了一個目標而奮鬥--可複用性(reusability),這看起來彷佛並不誇張。從最先的面向過程的函數庫,到面向對象的程序設計思想,到各類組件技術(如:COM、EJB),到設計模式(design pattern)等等。而STL也在作着相似的事情,同時在它背後蘊涵着一種新的程序設計思想--泛型化設計(generic programming)。設計模式

  繼續上面提到的那個例子,假如你把List或者map無缺的保留了下來,正在暗自得意。且慢,若是下一回的List裏放的不是浮點數而是整數呢?若是你所實現的Map在效率上老是令你不太滿意而且有時還會出些bug呢?你該如何面對這些問題?使用STL是一個不錯的選擇,確實如此,STL能夠漂亮地解決上面提到的這些問題,儘管你還能夠尋求其餘方法。數組

  說了半天,到底STL是什麼東西呢?數據結構

  STL(Standard Template Library),即標準模板庫,是一個具備工業強度的,高效的C++程序庫。它被容納於C++標準程序庫(C++ Standard Library)中,是ANSI/ISO C++標準中最新的也是極具革命性的一部分。該庫包含了諸多在計算機科學領域裏所經常使用的基本數據結構和基本算法。爲廣大C++程序員們提供了一個可擴展的應用框架,高度體現了軟件的可複用性。這種現象有些相似於Microsoft Visual C++中的MFC(Microsoft Foundation Class Library),或者是Borland C++ Builder中的VCL(Visual Component Library),對於此兩者,你們必定不會陌生吧。框架

  從邏輯層次來看,在STL中體現了泛型化程序設計的思想(generic programming),引入了諸多新的名詞,好比像需求(requirements),概念(concept),模型(model),容器(container),算法(algorithmn),迭代子(iterator)等。與OOP(object-oriented programming)中的多態(polymorphism)同樣,泛型也是一種軟件的複用技術。數據結構和算法

  從實現層次看,整個STL是以一種類型參數化(type parameterized)的方式實現的,這種方式基於一個在早先C++標準中沒有出現的語言特性--模板(template)。若是查閱任何一個版本的STL源代碼,你就會發現,模板做爲構成整個STL的基石是一件千真萬確的事情。除此以外,還有許多C++的新特性爲STL的實現提供了方便。

  不知你對這裏一會兒冒出這麼多術語作何感想,但願不會另你不愉快。假如你對它們之中的大多數不甚瞭解,敬請放心,在後續內容中將會對這些名詞逐一論述。正如開頭所提到的。

  有趣的是,對於STL還有另一種解釋--STepanov & Lee,前者是指Alexander Stepanov,STL的創始人;然後者是Meng Lee,她也是使STL得以推行的功臣,第一個STL成品就是他們合做完成的。這一提法源自1995年3月,Dr.Dobb's Journal特約記者, 著名技術書籍做家Al Stevens對Alexander Stepanov的一篇專訪。

  1.2 追根溯源:STL的歷史

  在結識新朋友的時候,大多數人老是忍不住想了解對方的過去。本節將帶您簡單回顧一下STL的過去。

  被譽爲STL之父的Alexander Stepanov,出生於蘇聯莫斯科,早在20世紀70年代後半期,他便已經開始考慮,在保證效率的前提下,將算法從諸多具體應用之中抽象出來的可能性,這即是後來泛型化思想的雛形。爲了驗證本身的思想,他和紐約州立大學教授Deepak Kapur,倫塞里爾技術學院教授David Musser共同開發了一種叫作Tecton的語言。儘管此次嘗試最終沒有取得實用性的成果,但卻給了Stepanov很大的啓示。

  在隨後的幾年中,他又和David Musser等人前後用Schema語言(一種Lisp語言的變種)和Ada語言創建了一些大型程序庫。這其間,Alexander Stepanov開始意識到,在當時的面向對象程序設計思想中所存在的一些問題,好比抽象數據類型概念所存在的缺陷。Stepanov但願經過對軟件領域中各組成部分的分類,逐漸造成一種軟件設計的概念性框架。

  1987年左右,在貝爾實驗室工做的Alexander Stepanov開始首次採用C++語言進行泛型軟件庫的研究。但遺憾的是,當時的C++語言尚未引入模板(template)的語法,如今咱們能夠清楚的看到,模板概念之於STL實現,是何等重要。是時使然,採用繼承機制是別無選擇的。儘管如此,Stepanov仍是開發出了一個龐大的算法庫。與此同時,在與Andrew Koenig(前ISO C++標準化委員會主席)和Bjarne Stroustrup(C++語言的創始人)等頂級大師們的共事過程當中,Stepanov開始注意到C/C++語言在實現其泛型思想方面所具備的潛在優點。就拿C/C++中的指針而言,它的靈活與高效運用,使後來的STL在實現泛型化的同時更是保持了高效率。另外,在STL中佔據極其重要地位的迭代子概念即是源自於C/C++中原生指針( native pointer)的抽象。

  1988年,Alexander Stepanov開始進入惠普的Palo Alto實驗室工做,在隨後的4年中,他從事的是有關磁盤驅動器方面的工做。直到1992年,因爲參加並主持了實驗室主任Bill Worley所創建的一個有關算法的研究項目,才使他從新回到了泛型化算法的研究工做上來。項目自創建以後,參與者從最初的8人逐漸減小,最後只剩下兩我的--Stepanove本人和Meng Lee。通過長時間的努力,最終,信念與汗水所換來的是一個包含有大量數據結構和算法部件的龐大運行庫。這即是如今的STL的雛形(同時也是STL的一個實現版本--HP STL)。

  1993年,當時在貝爾實驗室的Andrew Koenig看到了Stepanove的研究成果,非常興奮。在他的鼓勵與幫助下,Stepanove因而年9月的聖何塞爲ANSI/ISO C++標準委員會作了一個相關演講(題爲"The Science of C++ Programming"),向委員們講述了其觀念。而後又於次年3月,在聖迭戈會議上,向委員會提交了一份建議書,以期使STL成爲C++標準庫的一部分。儘管這一建議十分龐大,以致於下降了被經過的可能性,但因爲其所包含的新思想,投票結果以壓倒多數的意見認爲推遲對該建議的決定。

  隨後,在衆人的幫助之下,包括Bjarne Stroustrup在內,Stepanove又對STL進行了改進。同時加入了一個封裝內存模式信息的抽象模塊,也就是如今STL中的allocator,它使STL的大部分實現均可以獨立於具體的內存模式,從而獨立於具體平臺。在同年夏季的滑鐵盧會議上,委員們以80%同意,20%反對,最終經過了提案,決定將STL正式歸入C++標準化進程之中,隨後STL便被放進了會議的工做文件中。自此,STL終於成爲了C++家族中的重要一員。

  此後,隨着C++標準的不斷改進,STL也在不斷地做着相應的演化。直至1998年,ANSI/ISO C++標準正式定案,STL始終是C++標準中不可或缺的一大部件。

  1.3 千絲萬縷的聯繫

  在你瞭解了STL的過去以後,一些名詞開始不斷在你的大腦中浮現,STL、C++、C++標準函數庫、泛型程序設計、面向對象程序設計……,這些概念意味着什麼?他們之間的關係又是什麼?若是你想了解某些細節,這裏也許有你但願獲得的答案。

  1.3.1 STL和C++

  沒有C++語言就沒有STL,這麼說絕不爲過。通常而言,STL做爲一個泛型化的數據結構和算法庫,並不牽涉具體語言(固然,在C++裏,它被稱爲STL)。也就是說,若是條件容許,用其餘語言也能夠實現之。這裏所說的條件,主要是指相似於"模板"這樣的語法機制。若是你沒有略過前一節內容的話,應該能夠看到,Alexander Stepanov在選擇C++語言做爲實現工具以前,早以採用過多種程序設計語言。可是,爲何最終仍是C++幸運的承擔了這個歷史性任務呢?緣由不只在於前述那個條件,還在於C++在某些方面所表現出來的優越特性,好比:高效而靈活的指針。可是若是把C++做爲一種OOP(Object-Oriented Programming,面向對象程序設計)語言來看待的話(事實上咱們通常都是這麼認爲的,不是嗎?),其功能強大的繼承機制卻沒有給STL的實現幫上多大的忙。在STL的源代碼裏,並無太多太複雜的繼承關係。繼承的思想,甚而面向對象的思想,還不足以實現相似STL這樣的泛型庫。C++只有在引入了"模板"以後,才直接致使了STL的誕生。這也正是爲何,用其餘比C++更純的面嚮對象語言沒法實現泛型思想的一個重要緣由。固然,事情老是在變化之中,像Java在這方面,就是一個很好的例子,jdk1.4中已經加入了泛型的特性。

  此外,STL對於C++的發展,尤爲是模板機制,也起到了促進做用。好比:模板函數的偏特化(template function partial specialization),它被用於在特定應用場合,爲通常模板函數提供一系列特殊化版本。這一特性是繼STL被ANSI/ISO C++標準委員會經過以後,在Bjarne和Stepanov共同商討之下並由Bjarne向委員會提出建議的,最終該項建議被經過。這使得STL中的一些算法在處理特殊情形時能夠選擇非通常化的方式,從而保證了執行的效率。

  1.3.2 STL和C++標準函數庫

  STL是最新的C++標準函數庫中的一個子集,這個龐大的子集佔據了整個庫的大約80%的份量。而做爲在實現STL過程當中扮演關鍵角色的模板則充斥了幾乎整個C++標準函數庫。在這裏,咱們有必要看一看C++標準函數庫裏包含了哪些內容,其中又有哪些是屬於標準模板庫(即STL)的。

  C++標準函數庫爲C++程序員們提供了一個可擴展的基礎性框架。咱們從中能夠得到極大的便利,同時也能夠經過繼承現有類,本身編制符合接口規範的容器、算法、迭代子等方式對之進行擴展。它大體包含了以下幾個組件:

  C標準函數庫,基本保持了與原有C語言程序庫的良好兼容,儘管有些微變化。人們總會忍不住留戀過去的美好歲月,若是你曾經是一個C程序員,對這一點必定體會頗深。或許有一點會讓你以爲奇怪,那就是在C++標準庫中存在兩套C的函數庫,一套是帶有.h擴展名的(好比<stdio.h>),而另外一套則沒有(好比<cstdio>)。它們確實沒有太大的不一樣。

  語言支持(language support)部分,包含了一些標準類型的定義以及其餘特性的定義,這些內容,被用於標準庫的其餘地方或是具體的應用程序中。

  診斷(diagnostics)部分,提供了用於程序診斷和報錯的功能,包含了異常處理(exception handling),斷言(assertions),錯誤代碼(error number codes)三種方式。

  通用工具(general utilities)部分,這部份內容爲C++標準庫的其餘部分提供支持,固然你也能夠在本身的程序中調用相應功能。好比:動態內存管理工具,日期/時間處理工具。記住,這裏的內容也已經被泛化了(即採用了模板機制)。

  字符串(string)部分,用來表明和處理文本。它提供了足夠豐富的功能。事實上,文本是一個string對象,它能夠被看做是一個字符序列,字符類型多是char,或者wchar_t等等。string能夠被轉換成char*類型,這樣即可以和之前所寫的C/C++代碼和平共處了。由於那時侯除了char*,沒有別的。

  國際化(internationalization)部分,做爲OOP特性之一的封裝機制在這裏扮演着消除文化和地域差別的角色,採用locale和facet能夠爲程序提供衆多國際化支持,包括對各類字符集的支持,日期和時間的表示,數值和貨幣的處理等等。畢竟,在中國和在美國,人們表示日期的習慣是不一樣的。

  容器(containers)部分,STL的一個重要組成部分,涵蓋了許多數據結構,好比前面曾經提到的鏈表,還有:vector(相似於大小可動態增長的數組)、queue(隊列)、stack(堆棧)……。string也能夠看做是一個容器,適用於容器的方法一樣也適用於string。如今你能夠輕鬆的完成數據結構課程的家庭做業了。

  算法(algorithms)部分,STL的一個重要組成部分,包含了大約70個通用算法,用於操控各類容器,同時也能夠操控內建數組。好比:find用於在容器中查找等於某個特定值的元素,for_each用於將某個函數應用到容器中的各個元素上,sort用於對容器中的元素排序。全部這些操做都是在保證執行效率的前提下進行的,因此,若是在你使用了這些算法以後程序變得效率底下,首先必定不要懷疑這些算法自己,仔細檢查一下程序的其餘地方。

  迭代器(iterators)部分,STL的一個重要組成部分,若是沒有迭代器的撮合,容器和算法便沒法結合的如此完美。事實上,每一個容器都有本身的迭代器,只有容器本身才知道如何訪問本身的元素。它有點像指針,算法經過迭代器來定位和操控容器中的元素。

  數值(numerics)部分,包含了一些數學運算功能,提供了複數運算的支持。

  輸入/輸出(input/output)部分,就是通過模板化了的原有標準庫中的iostream部分,它提供了對C++程序輸入輸出的基本支持。在功能上保持了與原有iostream的兼容,而且增長了異常處理的機制,並支持國際化(internationalization)。

  整體上,在C++標準函數庫中,STL主要包含了容器、算法、迭代器。string也能夠算作是STL的一部分。

圖1:STL和C++標準函數庫
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