標準模板庫STL (轉)

標準模板庫STL (轉)[@more@]

標準模板庫介紹

標準模板庫，也叫 STL，是一個 C++ 容器類庫，演算法和迭代器。他提供許多基本演算法，資料結構。STL 是一個通用庫，即可以充份定製：幾乎所有的 STL 都是模板。在你使用 STL 前，你必須瞭解模板的工作情況。

容器和演算法

和許多類庫一樣，STL 包含容器類 - 可以包含其他的類。STL 包含向量類，連結串列類，雙向佇列類，集合類，圖類，等等。他們中的每個類都是模板，能包含各種型別的物件。例如，你可以用 vector ，就象常規的 C 語言中的陣列，除了 vector 不要你象陣列那樣考慮到動態分配的問題。

vector v(3); // 定義一個有三個元素的向量類 v[0] = 7; v[1] = v[0] + 3; v[2] = v[0] + v[1]; // v[0] == 7, v[1] == 10, v[2] == 17

STL 還包含了大量的演算法。他們巧妙地處理儲存在容器中的資料。你能夠顛倒 vector 中的元素，只是簡單使用 reverse 演算法。

reverse(v.begin(), v.end()); // v[0] == 17, v[1] == 10, v[2] == 7

在 reverse 的時候有兩點要注意。首先，他是個全域性，而不是成員函式。其次，他有兩個引數，而不是一個：他操作一定範圍的元素而不是操作容器。 在這個例子中他正好是對整個容器 V 操作。

以上兩點的原因是相同的：reverse 和其他 STL 演算法一樣，他們是通用的，也就是說， reverse 不僅可以用來顛倒向量的元素，也可以顛倒連結串列中元素的順序。甚至可以對陣列操作。下面的是合法的。

double A[6] = { 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7 }; reverse(A, A + 6); for (int i = 0; i < 6; ++i) cout << "A[" << i << "] = " << A[i];

這個例子也用到了範圍，和我們上面的向量的例子一樣：第一個引數是指向要操作的範圍的頭的指標，第二個引數是指向尾的指標。在這裡，範圍是 [A, A + 6)。可能你注意到範圍的不對稱。

迭代器

在上面的 C 陣列的例子中，reverse 的引數型別是 double*。那麼在 向量 或連結串列中引數又是什麼呢？也就是說，究竟 reverse 是如何定義引數的，並且 v.begin() 和 v.end() 返回什麼？

問題的答案是 reverse 的引數是 迭代器 (iterators)。他是指標的概括。指標自己也是迭代器。這也是為什麼可以顛倒陣列中元素的順序的原因。同樣地，向量 定義了巢狀的型別 iterator 和 const_iterator。在上面的例子中， v.begin() 和 v.end() 返回的型別是 vector::iterator。還有一些迭代器，如 istream_iterator 和 ostream_iterator。他們根本不能和容器關聯。

迭代器的出現讓演算法和容器的分離成為可能。演算法是模板，其型別依賴於迭代器，因此不會侷限於單一的容器。例如，我們寫個演算法實現在一定範圍的線性查詢。下面就是 STL 的 find 演算法。

template InputIterator find(InputIterator first, InputIterator last, const T& value) { while (first != last && *first != value) ++first; return first; }

Find 有三個引數：兩個迭代器定義範圍，第三個是要查詢的值。他遍歷範圍 [first, last)，從頭到尾的處理，在找到後停止或到範圍的最後停止。

First 和 last 定義為 InputIterator 型別，而 InputIterator 是個模板引數。也就是說，實際上沒有一個真實的型別 InputIterator：當你呼叫 find 時，用實際的型別去匹配 InputIterator 和 T。如果 find 的兩個引數中第一個實現是 int*，第三個實現是 int，那麼你可以認為是在下面的函式。

int* find(int* first, int* last, const int& value) { while (first != last && *first != value) ++first; return first; }

和類屬實參

對於函式模板 (不僅僅是 STL 演算法) 來說，一個非常重要的問題是：用什麼樣的引數型別去匹配模板引數才正確？為詳細說明這個問題，我們舉例：顯然，int* 或 double* 能夠代替 find 的模板引數 InputIterator。而 int 或 double 則不行。因此，有個顯然的答案是：find 隱含地定義了對於型別的要求。無論用什麼型別來實現 InputIterator，都必須提供一定的操作：他必須能夠比較兩個物件的大小，他必須能夠進行增加操作。

Find 不是僅有的一個有如此要求的 STL 演算法。for_each 和 count 以及其他演算法，都要滿足上面的要求。這些要求很重要，所以我們給他取個名字：我們將這一類型別條件叫約束 (concept)。我們稱上面的約束為 Input Iterator。如果一個型別滿足所有的要求，那麼我們說這個型別符合該約束，或者說他是該約束的類屬實參 (Model)。我們說 int* 是 Input Iterator 的類屬實參，因為 int* 能提供 Input Iterator 所要求的所有操作。

約束可不是 C++ 語言的一部份，在一個程式中你沒有辦法去定義一個約束，或者定義某型別是約束的類屬實參。然而，約束是 STL 中的很重要的一部份。使用約束類屬機制讓我們在程式中從程式實現中分離介面成為可能。find 的作者只要考慮介面只針對於 Input Iterator 而不是去實現符合該約束的所有可能資料型別。同樣，如果你要用 find，那麼你只要確定你傳遞的引數是 Input Iterator 的類屬實參就可以了。這就是為什麼 find 和 reverse 能夠在 list, vector, C 陣列合其他型別中使用。用約束(的思想)去，而不是固定於某一特定型別，讓程式重用元件和將元件組合使用。

Refinement

Input Iterator 實際上是相當弱的約束。也就是說，他只有少數幾個要求。一個 Input Iterator 必須支援指標運算的子集(他必須能夠透過運算子 operator++ 來增加 Input Iterator )，但是不需要其支援所有的指標演算法。這對於 find 來說足夠了，但是其他的一些演算法就不是這樣的，他們需要滿足另外的條件。例如 Reverse 還要能夠支援運算子 --。用術語來說，就是 reverse 的引數要是 Bidirectional Iterator 而非 Input Iterator。

Bidirectional Iterator 的約束和 Input Iterator 的約束很相近：他只是簡單地增加了一點另外的條件。Bidirectional Iterator 的類屬實參是 Input terator 類屬實參的子集：每個是 Bidirectional Iterator 類屬實參的資料型別都是 Input Iterator 的類屬實參。例如 Int* 即是 Bidirectional Iterator 的類屬實參，也是 Input Iterator 的類屬實參。但是 istream_iterator就不同了，他只是 Input Iterator 的類屬實參：他不能“適應”更嚴格的 Bidirectional Iterator 的要求。

我們這樣來描述 Input Iterator 和 Bidirectional Iterator 的關係： Bidirectional Iterator 是 Input Iterator 的 refinement。約束的 refinement 非常象 C++ 類的繼承。我們用不同的詞的主要原因是 refinement 用於約束而不是實際的型別。

除了我們上面提到的兩個迭代器約束外，還有三個迭代器約束。這五個迭代器 約束是： Output Iterator, Input Iterator, Forward Iterator, Bidirectional Iterator 和 Ran Access Iterator。Forward Iterator 是 Input Iterator 的 refinement，Bidirectional Iterator 又是 Forward Iterator 的 refinement, Random Access Iterator 是 Bidirectional Iterator 的 refinement。(Output Iterator 和其他四個約束有關係，但是不是 refinement 層次上的關係：他不是其他四個的 refinement，其他四個也不是他的 refinement。)

容器類和迭代器一樣，也有約束的層次關係。所有的容器是 Container 的類屬實參。例如 Sequence 和 Associative Container，都是具體的容器。

STL 的其他部份

如果你理解了演算法，迭代器，容器，那麼你幾乎就瞭解了 STL。但是 STL 還包含其他幾個部份的內容。

首先，STL 包含幾個 “工具”：非常基本的在類庫中不同地方出現的函式和 concept。例如，.ustc.edu.cn/~xjiang/prog/faq/Assignable.html">Assignable 約束, 就描述了那些可以賦值和類的複製操作的型別。幾乎所有的 STL 類都是 Assignable 的類屬實參。幾乎所有的演算法都要求其引數是 Assignable 的類屬實參。

其次，STL 包括了底層的記憶體的分配和釋放。Allocators 非常少見，你幾乎可以忽略他們。

最後，STL 包含了大量的 物件函式，也稱為 functors。就象迭代器是指標的一般形式一樣，物件函式是函式的一般形式。物件函式有幾種不同的約束，包括 Unary Function (一種只有一個引數的物件函式，如 f(x)) 和 Binary Function (一種有兩個引數的物件函式，如 f(x, y))。物件函式對於程式設計來說很重要，因為他如同物件型別的抽象一樣作用於操作。