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标准模板库

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标准模板库英文Standard Template Library缩写STL),是一个C++软件库,也是C++标准程序库的一部分。其中包含5个组件,分别为算法容器迭代器函数适配器[1]

模板是C++程序设计语言中的一个重要特征,而标准模板库正是基于此特征。标准模板库使得C++编程语言在有了同Java一样强大的类库的同时,保有了更大的可扩展性

歷史[编辑]

标准模板库係由Alexander Stepanov創造於1979年前後,這也正是比雅尼·斯特勞斯特魯普創造C++的年代。

雖然David R. Musser於1971年開始即在計算機幾何領域發展並倡導某些泛型程序設計觀念,但早期並沒有任何程式語言支援泛型程序設計。第一個支援泛型概念的語言是Ada。[來源請求] Alex和Musser曾於1987開發出一套相關的Ada library.

标准模板库設計人Stepanov早期從事教育工作,1970年代研究泛型程序設計,那時他與其同事一起在GE公司開發出一個新的程序語言——Tecton。

1983年,Stepanov先生轉至Polytechnic大學教書,繼續研究泛型程序設計,同時寫了許多Scheme的程序,應用在graph與network的演算法上,1985年又轉至GE公司專門教授高階程序設計,並將graph與network的Scheme程式,改用Ada寫,用了Ada以後,他發現到一個動態(dynamically)类型的程序(如Scheme)與強制(strongly)类型的程序(如Ada)有多麼的不同。

在動態类型的程序中,所有类型都可以自由的轉換成別的类型,而強制类型的程序卻不能。但是,強制类型在出錯時較容易發現程序錯誤。

1988年Stepanov先生轉至HP公司執行開發泛型程序庫的工作。此時,他已经认识C語言中指標(pointer)的威力,他表示一個程序员只要有些許硬件知识,就很容易接受C語言中指標的觀念,同時也瞭解到C語言的所有数据結構均可以指標間接表示,這點是C與Ada、Scheme的最大不同。

Stepanov並認為,雖然C++中的繼承功能可以表示泛型設計,但終究有個限制。雖然可以在基礎类型(superclass)定義算法和接口,但不可能要求所有物件皆是繼承這些,而且龐大的繼承體系將減低虛擬(virtual)函數的執行效率,這便違反的前面所說的「效率」原則。

到了C++模板觀念,Stepanov參加了許多有關的研討會,與C++之父Bjarne討論模板的设计細節。如,Stepanov認為C++的函數模板(function template)應該像Ada一樣,在声明其函數原型後,應該显式的声明一个函數模板之实例(instance);Bjarne則不然,他認為可以透過C++的重載(overloading)功能來表達。

Stepanov想像中的函數模板:

   in *.hpp
   template<class T>
   T square(T x) { return x*x; }
 
   in *.cpp
   double square(double);
   cout << square(3.3);
   int square(int);
   cout << square(3);

Bjarne認為的函數模板:

   in *.hpp
   template<class T>
   T square(T x) { return x*x; }
 
   in *.cpp
   cout << square(3.3);
   cout << square(3);

幾經爭辯,Stepanov發現Bjarne是對的(參考侯俊傑《标准模板库講座·第三章》)。事後Stepanov回想起來非常同意Bjarne的作法。

template 引數推導機制(arguments deduction ,在标准模板库中佔非常重要的角色。Alexander Stepanov(标准模板库創造者)在與Dr. Dobb's Journal進行的訪談中說道『1992 我重回generic-library的開發工作。這時候C++有了template

我發現Bjarne完成了一個非常美妙的設計。之前我在Bell Lab曾參與數次template的相關設計討論,並且非常粗暴地要求Bjarne應該將C++ template設計得儘可能像Ada generics那樣。我想由於我的爭辯是如此地粗暴,他決定反對。我瞭解到在C++中除了擁有template classes之外還擁有template functions的重要性。然而我認為template function應該像Ada generics一樣,也就是說它們應該是显式实例,Bjarne沒有聽進我的話,他設計了一個template function機制,其中的template是以一個重載化機制

(overloading mechanism來進行隐式实例這項特殊的技術對我的工作具有關鍵性的影響,因為我發現它使我得以完成Ada不可能完成的許多動作。我非常高興Bjarne當初沒有聽我的意見。』(DDJ 1995 年三月號)

事實上,C++的模板,本身即是一套複雜的巨集語言(macro language),巨集語言最大的特色為:所有工作在編譯時期就已完成。显式的声明函數模板之实例,與直接透過C++的多載功能隱式声明,結果一樣,並無很大區別,只是前者加重程序员的負擔,使得程式變得累贅。

1992年Meng Lee加入Alex的專案,成為另一位主要貢獻者。

1992年,HP泛型程序庫計畫結束,小組解散,只剩下Stepanov先生與Meng Lee小姐(她是東方人,标准模板库的英文名稱其實是取STepanov與Lee而來[2]),Lee先前研究的是編譯器的製作,對C++的模板很熟,第一版的标准模板库中許多程式都是Lee的傑作。

1993年,Andy Koenig到斯坦福演講,Stepanov便向他介紹标准模板库,Koenig聽後,隨即邀請Stepanov參加1993年11月的ANSI/ISO C++標準化會議,並發表演講。

Bell實驗室的Andrew Koenig於1993年知道标准模板库研究計劃後,邀請Alex於是年11月的ANSI/ISO C++標準委員會會議上展示其觀念。並獲得與會者熱烈的迴應。

1994年1月6日,Koenig寄封電子郵件給Stepanov,表示如果Stepanov願意將标准模板库的說明文件撰寫齊全,在1月25日前提出,便可能成為標準C++的一部份。Stepanov回信道:"Andy, are you crazy?" 。 Koenig便說:"Well, yes I am crazy,but why not try it?"。

Alex於是在次年夏天在Waterloo舉行的會議前完成其正式的提案,並以百分之八十壓倒性多數,一舉讓這個巨大的計劃成為C++ Standard的一部份。

标准模板库於1994年2月年正式成為ANSI/ISO C++的一部份,它的出現,促使C++程序员的思維方式更朝向泛型编程(generic program)發展。

內容[编辑]

容器[编辑]

标准模板库包含了序列容器(sequence containers)與關聯容器(associative containers)。 序列容器包含了 vector, dequelist。至於關聯容器則有 set, multiset, mapmultimap

資料容器 描述
有序/Lists - 有序集
vector 动态数组,可作为C++內建陣列的替代型態,vector 可以如同陣列一樣的存取方式,例如使用下標(Subscript)運算子,並記得自己的長度資訊(size),您也可以使用物件的方式來存取vector(push、pop)。使用vector可以輕易地定義二維可調整型陣列。要使用vector,必須含入vector表頭檔。Vector可在常量时间内完成在vector末尾插入/移除元素,但在vector中间或开头插入/移除元素,则需要消耗线性时间。
list list容器是一個有序(Ordered)的資料結構(循序容器),每个元素中存储着上一个元素和下一个元素的地址(指针),因此是一个双向链接的链表。与Vector相比,其元素的访问速度较慢,而在已知元素位置的情况下,插入和删除速度较快。
deque
(双端队列)
可看做为能在常量时间内完成向开头或结尾插入或删除元素的Vector,但是修改之后,其迭代器的有效性就无法得到保障。
Associative containers - 无序集
set
multiset 跟set具有相同功能,但允許重複的元素。
map 关联数组,每个元素含有两个数据项,map将一个数据项映射到另一个数据项中。
multimap 跟map具有相同功能,但允許重複的鍵值。
hash_set
hash_multiset
hash_map
hash_multimap
分别类似于集合,多重集合,映射,或者多重映射。但是,使用哈希表实现。它的键(Keys)没有把排序,但是必须存在一个对键值的哈希函数。这些容器并不是C++标准库的部分,但包含在SGI的标准模板库扩展中,并且包含在公共类库,如在GNU C++类库的__gnu_cxx空间。它们可能在未来包含于C++标准。
其他类型的容器
bitset 存储系列位类似的固定大小的布尔向量。实现按位运算,缺乏迭代器,不是序列。
valarray 另外像数组一样向量的C,为高速数字设计但以一些简化编程和一般用途的开支做为代价。它有许多功能,可以在理想地符合在向量超级计算机和消费级的标量处理器的SIMD单元里的向量处理器,同时也减轻在标量计算机向量数学规划,甚至在标量计算机中。

迭代器[编辑]

迭代器是泛化的指针,通过使用迭代器,开发者可以操作数据结构而无需关心其内部实现。根据迭代器的操作方式的不同,迭代器分为五种:input iterators、output iterators、forward iterators、bidirectional iterators和random access iterators[3]

算法[编辑]

STL提供了一些常见的算法,如排序和搜索等。这些算法与数据结构的实现进行了分离。因此,用于也可对自定义的数据结构使用这些算法,只需让这些自定义的数据结构拥有算法所预期的迭代器。[4]

函数对象[编辑]

函数对象即重载了操作符()的对象。类的实例都可称为函数对象。[5]

适配器(Adaptor)[编辑]

适配器为一个模板类,用于提供接口映射。[6]

参考文献[编辑]

  1. ^ Alexander, Stepanov. The Standard Template Library. 3. 1995. "The library contains five main kinds of components:algorithm,container, iterator, function, and adaptor" 
  2. ^ # Al Stevens Interviews Alex Stepanov. "After all, STL stands for Stepanov and Lee..." 
  3. ^ Alexander, Stepanov. The Standard Template Library. 6. 1995. "Depending on the operations defined on them, there are five categories of iterators: input iterators, output iterators, forward iterators, bidirectional iterators and random access iterators." 
  4. ^ Alexander, Stepanov. The Standard Template Library. 41. 1995. 
  5. ^ Alexander, Stepanov. The Standard Template Library. 14. 1995. 
  6. ^ Alexander, Stepanov. The Standard Template Library. 55. 1995. 

参见[编辑]

外部連結[编辑]