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C++ STL編程輕松入門

　　作為C++標(biāo)準(zhǔn)不可缺少的一部分，STL應(yīng)該是滲透在C++程序的角角落落里的。STL不是實驗室里的寵兒，也不是程序員桌上的擺設(shè)，她的激動人心并非曇花一現(xiàn)。本教程旨在傳播和普及STL的基礎(chǔ)知識，若能借此機會為STL的推廣做些力所能及的事情，到也是件讓人愉快的事情。

　　1 初識STL：解答一些疑問　　1.1 一個最關(guān)心的問題：什么是STL科學(xué)領(lǐng)域里所常用的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和基本算法。為廣大C++程序員們提供了一個可擴展的應(yīng)用框架，高度體現(xiàn)了軟件的可復(fù)用性。這種現(xiàn)象有些類似于Microsoft Visual C++中的MFC（Microsoft Foundation Class Library），或者是Borland C++ Builder中的VCL(Visual Component Library)，對于此二者，大家一定不會陌生吧。

　　"什么是STL？"，假如你對STL還知之甚少，那么我想，你一定很想知道這個問題的答案，坦率地講，要指望用短短數(shù)言將這個問題闡述清楚，也決非易事。因此，如果你在看完本節(jié)之后還是覺得似懂非懂，大可不必著急，在閱讀了后續(xù)內(nèi)容之后，相信你對STL的認(rèn)識，將會愈加清晰、準(zhǔn)確和完整。不過，上述這番話聽起來是否有點像是在為自己糟糕的表達(dá)能力開脫罪責(zé)呢？:）

　　不知道你是否有過這樣的經(jīng)歷。在你準(zhǔn)備著手完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)老師所布置的家庭作業(yè)時，或者在你為你所負(fù)責(zé)的某個軟件項目中添加一項新功能時，你發(fā)現(xiàn)需要用到一個鏈表(List)或者是映射表（Map）之類的東西，但是手頭并沒有現(xiàn)成的代碼。于是在你開始正式考慮程序功能之前，手工實現(xiàn)List或者M(jìn)ap是不可避免的。于是……，最終你順利完成了任務(wù)?；蛟S此時，作為一個具有較高素養(yǎng)的程序員的你還不肯罷休（或者是一個喜歡偷懶的優(yōu)等生:），因為你會想到，如果以后還遇到這樣的情況怎么辦？沒有必要再做一遍同樣的事情吧！

　　如果說上述這種情形每天都在發(fā)生，或許有點夸張。但是，如果說整個軟件領(lǐng)域里，數(shù)十年來確實都在為了一個目標(biāo)而奮斗--可復(fù)用性（reusability），這看起來似乎并不夸張。從最早的面向過程的函數(shù)庫，到面向?qū)ο蟮?a style="FONT-SIZE: 12px; COLOR: rgb(78,78,78); WORD-BREAK: break-all; TEXT-DECORATION: none" >程序設(shè)計思想，到各種組件技術(shù)（如：COM、EJB），到設(shè)計模式（design pattern）等等。而STL也在做著類似的事情，同時在它背后蘊涵著一種新的程序設(shè)計思想--泛型化設(shè)計（generic programming）。

　　繼續(xù)上面提到的那個例子，假如你把List或者map完好的保留了下來，正在暗自得意。且慢，如果下一回的List里放的不是浮點數(shù)而是整數(shù)呢？如果你所實現(xiàn)的Map在效率上總是令你不太滿意并且有時還會出些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可以漂亮地解決上面提到的這些問題，盡管你還可以尋求其他方法。

　說了半天，到底STL是什么東西呢？

　　STL（Standard Template Library），即標(biāo)準(zhǔn)模板庫，是一個具有工業(yè)強度的，高效的C++程序庫。它被容納于C++標(biāo)準(zhǔn)程序庫（C++ Standard Library）中，是ANSI/ISO C++標(biāo)準(zhǔn)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

　　從邏輯層次來看，在STL中體現(xiàn)了泛型化程序設(shè)計的思想（generic programming），引入了諸多新的名詞，比如像需求（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(tài)（polymorphism）一樣，泛型也是一種軟件的復(fù)用技術(shù)。

　　從實現(xiàn)層次看，整個STL是以一種類型參數(shù)化（type parameterized）的方式實現(xiàn)的，這種方式基于一個在早先C++標(biāo)準(zhǔn)中沒有出現(xiàn)的語言特性--模板（template）。如果查閱任何一個版本的STL源代碼，你就會發(fā)現(xiàn)，模板作為構(gòu)成整個STL的基石是一件千真萬確的事情。除此之外，還有許多C++的新特性為STL的實現(xiàn)提供了方便。

　　不知你對這里一下子冒出這么多術(shù)語做何感想，希望不會另你不愉快。假如你對它們之中的大多數(shù)不甚了解，敬請放心，在后續(xù)內(nèi)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，對于STL還有另外一種解釋--STepanov & Lee，前者是指Alexander Stepanov，STL的創(chuàng)始人；而后者是Meng Lee，她也是使STL得以推行的功臣，第一個STL成品就是他們合作完成的。這一提法源自1995年3月，Dr.Dobb's Journal特約記者, 著名技術(shù)書籍作家Al Stevens對Alexander Stepanov的一篇專訪。

　　1.2 追根溯源：STL的歷史學(xué)院教授David Musser共同開發(fā)了一種叫做Tecton的語言。盡管這次嘗試最終沒有取得實用性的成果，但卻給了Stepanov很大的啟示。

　　在結(jié)識新朋友的時候，大多數(shù)人總是忍不住想了解對方的過去。本節(jié)將帶您簡單回顧一下STL的過去。

　　被譽為STL之父的Alexander Stepanov，出生于蘇聯(lián)莫斯科，早在20世紀(jì)70年代后半期，他便已經(jīng)開始考慮，在保證效率的前提下，將算法從諸多具體應(yīng)用之中抽象出來的可能性，這便是后來泛型化思想的雛形。為了驗證自己的思想，他和紐約州立大學(xué)教授Deepak Kapur，倫塞里爾技術(shù)

　　在隨后的幾年中，他又和David Musser等人先后用Schema語言（一種Lisp語言的變種）和Ada語言建立了一些大型程序庫。這其間，Alexander Stepanov開始意識到，在當(dāng)時的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計思想中所存在的一些問題，比如抽象數(shù)據(jù)類型概念所存在的缺陷。Stepanov希望通過對軟件領(lǐng)域中各組成部分的分類，逐漸形成一種軟件設(shè)計的概念性框架。

　　1987年左右，在貝爾實驗室工作的Alexander Stepanov開始首次采用C++語言進(jìn)行泛型軟件庫的研究。但遺憾的是，當(dāng)時的C++語言還沒有引入模板（template）的語法，現(xiàn)在我們可以清楚的看到，模板概念之于STL實現(xiàn)，是何等重要。是時使然，采用繼承機制是別無選擇的。盡管如此，Stepanov還是開發(fā)出了一個龐大的算法庫。與此同時，在與Andrew Koenig（前ISO C++標(biāo)準(zhǔn)化委員會主席）和Bjarne Stroustrup（C++語言的創(chuàng)始人）等頂級大師們的共事過程中，Stepanov開始注意到C/C++語言在實現(xiàn)其泛型思想方面所具有的潛在優(yōu)勢。就拿C/C++中的指針而言，它的靈活與高效運用，使后來的STL在實現(xiàn)泛型化的同時更是保持了高效率。另外，在STL中占據(jù)極其重要地位的迭代子概念便是源自于C/C++中原生指針（ native pointer）的抽象。

　　1988年，Alexander Stepanov開始進(jìn)入惠普的Palo Alto實驗室工作，在隨后的4年中，他從事的是有關(guān)磁盤驅(qū)動器方面的工作。直到1992年，由于參加并主持了實驗室主任Bill Worley所建立的一個有關(guān)算法的研究項目，才使他重新回到了泛型化算法的研究工作上來。項目自建立之后，參與者從最初的8人逐漸減少，最后只剩下兩個人--Stepanove本人和Meng Lee。經(jīng)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法部件的龐大運行庫。這便是現(xiàn)在的STL的雛形（同時也是STL的一個實現(xiàn)版本--HP STL）。

　　1993年，當(dāng)時在貝爾實驗室的Andrew Koenig看到了Stepanove的研究成果，很是興奮。在他的鼓勵與幫助下，Stepanove于是年9月的圣何塞為ANSI/ISO C++標(biāo)準(zhǔn)委員會做了一個相關(guān)演講（題為"The Science of C++ Programming"），向委員們講述了其觀念。然后又于次年3月，在圣迭戈會議上，向委員會提交了一份建議書，以期使STL成為C++標(biāo)準(zhǔn)庫的一部分。盡管這一建議十分龐大，以至于降低了被通過的可能性，但由于其所包含的新思想，投票結(jié)果以壓倒多數(shù)的意見認(rèn)為推遲對該建議的決定。

　　隨后，在眾人的幫助之下，包括Bjarne Stroustrup在內(nèi)，Stepanove又對STL進(jìn)行了改進(jìn)。同時加入了一個封裝內(nèi)存模式信息的抽象模塊，也就是現(xiàn)在STL中的allocator，它使STL的大部分實現(xiàn)都可以獨立于具體的內(nèi)存模式，從而獨立于具體平臺。在同年夏季的滑鐵盧會議上，委員們以80%贊成，20%反對，最終通過了提案，決定將STL正式納入C++標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程之中，隨后STL便被放進(jìn)了會議的工作文件中。自此，STL終于成為了C++家族中的重要一員。

　　此后，隨著C++標(biāo)準(zhǔn)的不斷改進(jìn)，STL也在不斷地作著相應(yīng)的演化。直至1998年，ANSI/ISO C++標(biāo)準(zhǔn)正式定案，STL始終是C++標(biāo)準(zhǔn)中不可或缺的一大部件。

　　1.3 千絲萬縷的聯(lián)系　　1.3.1 STL和C++　　1.3.2 STL和C++標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫1.3.3 STL和GP，GP和OOP 　　1.4 STL的不同實現(xiàn)版本　　1.4.1 HP STL　　1.4.2 P.J. Plauger STLhttp://www.dinkumware.comVisualStudiohashset容器。1.4.3 Rouge Wave STLhttp://www.rougewave.com源代碼C:Program Files\Borland\Cbuilder6\Include\oldstl）。1.4.4 STLporthttp://www.stlport.org免費下載VC中的STL要快。比Rouge Wave STL更符合標(biāo)準(zhǔn)，也更容易移植。Borland C++ Builder已經(jīng)在其6.0版中加入了對STLport的支持，它使用的STLport就是4.5版的，C++ Builder 6.0同時還提供了STLport的使用說明。你可以在C++ Builder的Include\Stlport子目錄下找到所有頭文件（比如：C:\Program Files\Borland\Cbuilder6\Include\Stlport）。1.4.5 SGI STLhttp://www.sgi.com新版本是3.3。

　　在你了解了STL的過去之后，一些名詞開始不斷在你的大腦中浮現(xiàn)，STL、C++、C++標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫、泛型程序設(shè)計、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計……，這些概念意味著什么？他們之間的關(guān)系又是什么？如果你想了解某些細(xì)節(jié)，這里也許有你希望得到的答案。

　　沒有C++語言就沒有STL，這么說毫不為過。一般而言，STL作為一個泛型化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和
　　此外，STL對于C++的發(fā)展，尤其是模板機制，也起到了促進(jìn)作用。比如：模板函數(shù)的偏特化（template function partial specialization），它被用于在特定應(yīng)用場合，為一般模板函數(shù)提供一系列特殊化版本。這一特性是繼STL被ANSI/ISO C++標(biāo)準(zhǔn)委員會通過之后，在Bjarne和Stepanov共同商討之下并由Bjarne向委員會提出建議的，最終該項建議被通過。這使得STL中的一些算法在處理特殊情形時可以選擇非一般化的方式，從而保證了執(zhí)行的效率。

　　STL是最新的C++標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫中的一個子集，這個龐大的子集占據(jù)了整個庫的大約80%的分量。而作為在實現(xiàn)STL過程中扮演關(guān)鍵角色的模板則充斥了幾乎整個C++標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫。在這里，我們有必要看一看C++標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫里包含了哪些內(nèi)容，其中又有哪些是屬于標(biāo)準(zhǔn)模板庫（即STL）的。

　　C++標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫為C++程序員們提供了一個可擴展的基礎(chǔ)性框架。我們從中可以獲得極大的便利，同時也可以通過繼承現(xiàn)有類，自己編制符合接口規(guī)范的容器、算法、迭代子等方式對之進(jìn)行擴展。它大致包含了如下幾個組件：

　　C標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫，基本保持了與原有C語言程序庫的良好兼容，盡管有些微變化。人們總會忍不住留戀過去的美好歲月，如果你曾經(jīng)是一個C程序員，對這一點一定體會頗深?；蛟S有一點會讓你覺得奇怪，那就是在C++標(biāo)準(zhǔn)庫中存在兩套C的函數(shù)庫，一套是帶有.h擴展名的（比如），而另一套則沒有（比如）。它們確實沒有太大的不同。

　　語言支持（language support）部分，包含了一些標(biāo)準(zhǔn)類型的定義以及其他特性的定義，這些內(nèi)容，被用于標(biāo)準(zhǔn)庫的其他地方或是具體的應(yīng)用程序中。

　　診斷（diagnostics）部分，提供了用于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，這部分內(nèi)容為C++標(biāo)準(zhǔn)庫的其他部分提供支持，當(dāng)然你也可以在自己的程序中調(diào)用相應(yīng)功能。比如：動態(tài)內(nèi)存管理工具，日期/時間處理工具。記住，這里的內(nèi)容也已經(jīng)被泛化了（即采用了模板機制）。

　　字符串（string）部分，用來代表和處理文本。它提供了足夠豐富的功能。事實上，文本是一個string對象，它可以被看作是一個字符序列，字符類型可能是char，或者wchar_t等等。string可以被轉(zhuǎn)換成char*類型，這樣便可以和以前所寫的C/C++代碼和平共處了。因為那時侯除了char*，沒有別的。

　　國際化（internationalization）部分，作為OOP特性之一的封裝機制在這里扮演著消除文化和地域差異的角色，采用locale和facet可以為程序提供眾多國際化支持，包括對各種字符集的支持，日期和時間的表示，數(shù)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(xí)慣是不同的。

　　容器（containers）部分，STL的一個重要組成部分，涵蓋了許多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，比如前面曾經(jīng)提到的鏈表，還有：vector（類似于大小可動態(tài)增加的數(shù)組）、queue（隊列）、stack（堆棧）……。string也可以看作是一個容器，適用于容器的方法同樣也適用于string?，F(xiàn)在你可以輕松的完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的家庭作業(yè)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，用于操控各種容器，同時也可以操控內(nèi)建數(shù)組。比如：find用于在容器中查找等于某個特定值的元素，for_each用于將某個函數(shù)應(yīng)用到容器中的各個元素上，sort用于對容器中的元素排序。所有這些操作都是在保證執(zhí)行效率的前提下進(jìn)行的，所以，如果在你使用了這些算法之后程序變得效率底下，首先一定不要懷疑這些算法本身，仔細(xì)檢查一下程序的其他地方。

　　迭代器（iterators）部分，STL的一個重要組成部分，如果沒有迭代器的撮合，容器和算法便無法結(jié)合的如此完美。事實上，每個容器都有自己的迭代器，只有容器自己才知道如何訪問自己的元素。它有點像指針，算法通過迭代器來定位和操控容器中的元素。

　　數(shù)值（numerics）部分，包含了一些數(shù)學(xué)運算功能，提供了復(fù)數(shù)運算的支持。

　　輸入/輸出（input/output）部分，就是經(jīng)過模板化了的原有標(biāo)準(zhǔn)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，并且增加了異常處理的機制，并支持國際化（internationalization）。

　　總體上，在C++標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫中，STL主要包含了容器、算法、迭代器。string也可以算做是STL的一部分。

　　正如前面所提到的，在STL的背后蘊含著泛型化程序設(shè)計（GP）的思想，在這種思想里，大部分基本算法被抽象，被泛化，獨立于與之對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于以相同或相近的方式處理各種不同情形。這一思想和面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想（OOP）不盡相同，因為，在OOP中更注重的是對數(shù)據(jù)的抽象，即所謂抽象數(shù)據(jù)類型（Abstract Data Type），而算法則通常被附屬于數(shù)據(jù)類型之中。幾乎所有的事情都可以被看作類或者對象（即類的實例），通常，我們所看到的算法被作為成員函數(shù)（member function）包含在類（class）中，類和類則構(gòu)成了錯綜復(fù)雜的繼承體系。

　　盡管在象C++這樣的程序設(shè)計語言中，你還可以用全局函數(shù)來表示算法，但是在類似于Java這樣的純面向?qū)ο蟮恼Z言中，全局函數(shù)已經(jīng)被"勒令禁止"了。因此，用Java來模擬GP思想是頗為困難的。如果你對前述的STL歷史還有印象的話，應(yīng)該記得Alexander Stepanove也曾用基于OOP的語言嘗試過實現(xiàn)GP思想，但是效果并不好，包括沒有引入模板之前的C++語言。站在巨人的肩膀上，我們可以得出這樣的結(jié)論，在OOP中所體現(xiàn)的思想與GP的思想確實是相異的。C++并不是一種純面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言，它的絕妙之處，就在于既滿足了OOP，又成全了GP。對于后者，模板立下了汗馬功勞。另外，需要指出的是，盡管GP和OOP有諸多不同，但這種不同還不至于到"水火不容"的地步。并且，在實際運用的時候，兩者的結(jié)合使用往往可以使問題的解決更為有效。作為GP思想實例的STL本身便是一個很好的范例，如果沒有繼承，不知道STL會是什么樣子，似乎沒有人做過這樣的試驗。
　　相信你對STL的感性認(rèn)識應(yīng)該有所提高了，是該做一些實際的工作了，那么我們首先來了解一下STL的不同實現(xiàn)版本。ANSI/ISO C++文件中的STL是一個僅被描述在紙上的標(biāo)準(zhǔn)，對于諸多C++編譯器而言，需要有各自實際的STL，它們或多或少的實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)中所描述的內(nèi)容，這樣才能夠為我們所用。之所以有不同的實現(xiàn)版本，則存在諸多原因，有歷史的原因，也有各自編譯器生產(chǎn)廠商的原因。以下是幾個常見的STL實現(xiàn)版本。

　　HP STL是所有其它STL實現(xiàn)版本的根源。它是STL之父Alexander Stepanov在惠普的Palo Alto實驗室工作時，和Meng Lee共同完成的，是第一個STL的實現(xiàn)版本（參見1.2節(jié)）。這個STL是開放源碼的，所以它允許任何人免費使用、復(fù)制、修改、發(fā)布和銷售該軟件和相關(guān)文檔，前提是必須在所有相關(guān)文件中加入HP STL的版本信息和授權(quán)信息?，F(xiàn)在已經(jīng)很少直接使用這個版本的STL了。

　　P. J. Plauger STL屬于個人作品，由P. J. Plauger本人實現(xiàn)，是HP STL的一個繼承版本，因此在其所有頭文件中都含有HP STL的相關(guān)聲明，同時還有P. J. Plauger本人的版權(quán)聲明。P. J. Plauger是標(biāo)準(zhǔn)C中stdio庫的早期實現(xiàn)者，現(xiàn)在是C/C++ User's Journal的主編，與Microsoft保持著良好的關(guān)系。P. J. Plauger STL便是被用于Microsoft的Visual C++中的。在Windows平臺下的同類版本中，其性能不錯，但是queue組件（隊列，一種容器）的效率不理想，同時由于Visual C++對C++語言標(biāo)準(zhǔn)的支持不是很好（至少直到VC6.0為止，還是如此），因此一定程度上影響了P. J. Plauger STL的性能。此外，該版本的源代碼可讀性較差，你可以在VC的Include子目錄下找到所有源文件（比如：C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\VC98\Include）。因為不是開放源碼的（open source），所以這些源代碼是不能修改和銷售的，目前P.J. Plauger STL由Dinkumware公司提供相關(guān)服務(wù).

　　Rouge Wave STL是由Rouge Wave公司實現(xiàn)的，也是HP STL的一個繼承版本，除了HP STL的相關(guān)聲明之外，還有Rouge Wave公司的版權(quán)聲明。同時，它也不是開放源碼的，因此無法修改和銷售。該版本被Borland C++ Builder所采用，你可以在C++ Builder的Include子目錄下找到所有頭文件（比如：C:\Program Files\Borland\Cbuilder5\Include）。盡管Rouge Wave STL的性能不是很好，但由于C++ Builder對C++語言標(biāo)準(zhǔn)的支持還算不錯，使其表現(xiàn)在一定程度上得以改善。此外，其源代碼的可讀性較好?？梢詮娜缦戮W(wǎng)站得到更詳細(xì)的情況介紹：

　　STLport最初源于俄國人Boris Fomitchev的一個開發(fā)項目，主要用于將SGI STL的基本代碼移植到其他諸如C++Builder或者是Visual C++這樣的主流編譯器上。因為SGI STL屬于開放源碼，所以STLport才有權(quán)這樣做。目前STLport的最新版本是4.5?？梢詮娜缦戮W(wǎng)站得到更詳細(xì)的情況介紹：

　　SGI STL是由Silicon Graphics Computer System, Inc公司實現(xiàn)的，其設(shè)計者和編寫者包括Alexander Stepanov和Matt Austern，同樣它也是HP STL的一個繼承版本。它屬于開放源碼，因此你可以修改和銷售它。SGI STL被GCC（linux下的C++編譯器）所采用，你可以在GCC的Include子目錄下找到所有頭文件（比如：C:\cygnus\cygwin-b20\include\g++\include）。由于GCC對C++語言標(biāo)準(zhǔn)的支持很好，SGI STL在linux平臺上的性能相當(dāng)出色。此外，其源代碼的可讀性也很好。

posted on 2010-06-02 00:17 幽夢新影閱讀(491) 評論(0) 編輯收藏引用所屬分類: C/C++基礎(chǔ)知識

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