(Boolan) C++ STL与泛型编程

对于现在的计算机编程语言来说，语言和库已经形成了两大体系。只学一门语言可以实现自己想要的功能，也可以写出各式各样的程序，但是，不得已需要提一句，对于现在技术的发展速度来说，开发的效率变得尤为重要。而仅仅会一门编程语言，在现阶段其实已经成为了一件无意义的事。那么拿语言和数据结构来举例，他们俩已经是两个独立的体系了，而数据结构对于开发而言，基本的代码实现都是差不多的。那么，开发不同的系统，意味着会有巨大的重复过程要做，而这类重复过程其实也就是不断的*** 造 轮 子 ***的过程。先抛开，自己制造的轮子的开发效率问题不谈，那么自己制造的轮子，也不一定有在市场上购买的轮子质量过硬。那么，在很多时候，自造轮子，其实是一件得不偿失的事，因此：
*** 1.开发效率变慢 2. 且质量不一定是最好的 ***

那么语言学中，重要的一点就是库的学习。那么，现在来说，每种语言，在各自的特定领域都会有特定的库来实现想要的功能。比如Python的爬虫领域就有requests库等，深度学习算法领域常用到Caffe、Tensorflow库等等。这些呢其实已经是一些专用的库，可以实现一些特定需求中的特定功能，而无需自己从0开始写。而这些库其实是一些功能库，但再往底层查看，***程序最根本的目的是为了操作一些数据 *。而这限额护具的组织方式其实是一件十分重要的是，记得我在前面说过关于一个 钥匙和箱子的故事 **，这里面详细说明了，当数据量足够大的时候，出现的一些问题，其实也就是数据结构的问题，而数据结构其实多于每个程序来说都是必须要面对的。那么每个语言非常重要的是要有一套面向底层数据的库，而在c++中就是标准库（c++ Standard Library）。
引用下面图片中这本书的一句话：

不会使用标准库的C++程序员算不上是一个有开发效率的程序员

那么说了这么多，今天的主要目的就是初步的来看看标准库的那些事。

C++标准库的体系结构

C++标准库的设计思想

• C++标准库，主要使用的是泛型编程（Generic Programming）的思想，而不是采用了面向对象的的主要思想。

C++ Standard Library Vs. Standard Template Library

• 标准库中包含STL
• STL主要由六大部件组成（后续详谈）

程序中标准库的引用

• C++标准库的header files不包括扩展名（.h），例如#include <vector>
• 新式的C header files不带扩展名，前面需要添加c，例如#include <cstdlib>
• C语言中引入的方式依然可以用，例如#include <stdlib.h>

C++标准库的命名空间

• C++标准库的命名空间全部是std
• 如果使用C语言中的库，不封装在std的命名空间中
• 打开方式
  • 统一打开
    using namespace std;
  • 逐条打开
    using std::cout; using std::cin;

C++标准库的资料库

• Cplusplus
• CppReference
• gcc

STL的六大部件

组建之间的关系

C++标准库中的组件之间的关系图

• 操作容器中的数据的算法是独立存在的
• 容器和算法之间的桥梁是迭代器（一种泛化的指针）
• 分配器负责给容器分配、释放内存空间
• 仿函数，模仿函数一样的对象
• 适配器，实现一些转换

//六大部件的使用#include <vector>#include <algorithm>#include <functional>#include <iostream>using namespace std;int main(){    int ia[6] = {27, 210, 12, 47, 109, 83};    vector<int, allocator<int>> vi(ia, ia+6);    //vector:Container    //allocator<int>：Allocator，不写使用默认的        cout << count_if(vi.begin(), vi.end(), not1(bind2nd(less<int>(), 40)));    // count_if(...): Algorithm    // not1(...): Function adapter(gegator)    // bind2nd(....): function adapter(binder)    // less<int>: function object    return 0;}

• 关于算法的复杂度
  • 时间复杂度

时间复杂度与元素数量关系

1.可见随着元素数量增加，对算法要求越高，否则算法不合理会导致得不到结果
2.对于同样的元素数量，不同的算法之间的差别也比较大
3.在数据量很小的情况下，复杂度体现不出太大的差别
当发现算法的时间复杂的大于O(n^2)时，应劲量降低时间复杂度

• 关于复杂度的问题，属于基本的数据结构话题，可以参见文章
  算法复杂度分析
  图片来自该博客，如果侵权，联系我删除】

容器（Container）

• 容器的分类
  • 顺序容器
    • array（C++11）
      • 底层数据结构：数组
        
        
        

        array内存图
      • 创建时，需要制定大小array<long, 100> a
      • 可以使用a[x]来为元素赋值
      • 常用函数
        • a.size()：返回数组大小
        • a.front()：返回第一个元素
        • a.back()：返回最末位的元素
        • a.data()：返回起点的地址
      • 排序
        • 使用cstdlib中的qsort

void qsort (void* base, size_t num, size_t size,
int (compar)(const void,const void*));

      - 查找        - 使用`algorithm`中的find      ```template <class InputIterator, class T>   InputIterator std::find (InputIterator first, InputIterator last, const T& val);      ```       - 使用`cstdlib`中的`bsearch`(需要先排序)

void* bsearch (const void* key, const void* base,
size_t num, size_t size,
int (compar)(const void,const void*));

    - vector       - 底层数据结构：***动态数组***      - 仅能够向后增长，成长过程相对较慢[ 因为，需要在空间中找到新位置，再将元素搬移过去 ]      - 两倍扩充，容易浪费空间![vector内存图](http://upload-images.jianshu.io/upload_images/5688965-c00c7322cf6e8818.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)    - 常用函数      - `push_back()`：添加元素      - `size()`：获取元素数量      - `front()`：获取前端元素      - `back()`：获取后方元素      - `data()`：获取起始点的地址      - `capacity()` ：获取容器大小    - 查找      - 使用`algorithm`中的find      ```template <class InputIterator, class T>   InputIterator std::find (InputIterator first, InputIterator last, const T& val);      ```      - 使用`cstdlib`中的`bsearch`(需要先排序)

void* bsearch (const void* key, const void* base,
size_t num, size_t size,
int (compar)(const void,const void*));

    - 排序        - 使用`cstdlib`中的`qsort`           ```void qsort (void* base, size_t num, size_t size,            int (*compar)(const void*,const void*));

- deque  - 底层数据结构：***数组们的数组***

deque的内存图

- 双向开口，可进可出的容器
- 每一个空间都指向一个buffer，buffer中的元素有顺序

deque的结构图

• 常用函数

  • push_back()：添加元素

  • size()：获取元素数量

  • max_size()：最大容量

  • back()：获取后方元素

  • list

    • 底层数据结构：双向循环链表
      
      
      

      list内存图

  • 每次扩充一个节点

  • 查找速度比较慢

  • 常用函数

    • push_back()：添加元素
    • size()：获取元素数量
    • max_size()：最大容量
    • front()：获取前端元素
    • back()：获取后方元素
    • sort()：自带排序（不是algorithm中的）

  • forward-list

    • 底层数据结构：单向列表
      
      
      

      forward-list

  • 常用函数

    • push_front()：添加元素
    • max_size()：最大容量
    • front()：获取前端元素
    • sort()：自带排序（不是algorithm中的）

  • slist（非标准的，gnu实现的）

    • 底层数据结构：单向链表
    • 头文件在ext\slist中，#include <ext/slist>
      
      
      

      slist的内存图
    • 使用和forward-list相同

  • stack（可理解为容器的adapter）

    • 底层数据结构：deque

    • 先进后出

      
      
      
      

      stack结构图
    • 常用函数
    • size()：元素数量
    • pop()：弹出栈顶元素
    • push()：添加元素
    • 没有iterator的操作

  • queue（可理解为容器的adapter）

    • 底层数据结构：deque

    • 先进先出

      
      
      
      

      queue的结构图
    • 常用函数
      • size()：元素数量
      • front()：队首元素
      • back()：队尾元素
      • push()：添加元素
      • pop()：取出元素
      • 没有iterator的操作

  • prority_queue

    • 底层数据结构：vector
    • 适配器，它可以将任意类型的序列容器转换为一个优先级队列，一般使用vector作为底层存储方式。
    • 只能访问第一个元素，不能遍历整个priority_queue。
    • 第一个元素始终是优先级最高的一个元素。

• 关联容器

  • set

    
    
    
    

    set的内存图
    • 键和值实际为同一个
    • 底层实现为：红黑树
    • 元素插入后，会放在对应的位置，不能手动操作
    • 插入慢，查找快
    • set中不能有重复的元素
    • 常用函数
      • size()：元素数量
      • max_size()：最大空间
      • insert()：添加元素
      • find()：查找元素

  • multiset

    • 和set基本相同，却别在于可以有重复元素

  • map

    • 底层实现为：红黑树
      
      
      

      map的内存图
    • 存入的为键值对（pair<xx, yy）>(key, value)）
    • key不重复，所以可以使用iMap[key]来查询元素
    • 常用函数
      • size()：元素数量
      • max_size()：最大空间
      • insert()：添加元素
      • find()：查找元素

  • multimap

    • 和map基本相同，却别在于可以有重复元素
    • 因为key可以重复，所以不可以使用iMap[key]来查询元素

  • unordered_map(C++11)

    • 底层实现为：Hash Table

    • GNU以前提供的为：hash_map

      
      
      
      

      unordered_map的内存图
      
      
      
      

      hash表示意图

• 常用函数
  - size()：元素数量
  - max_size()：最大空间
  - insert()：添加元素
  - find()：查找元素
  - bucket_count()：篮子的数量（篮子：hash 表中的格子有多少）
  - load_factor()：载重因子
  - max_load_factor()：最大载重因子
  - max_bucket_count()：最大的篮子的数量

• unordered_multimap(C++11)

  • 和unordered_map相同，除了可以存放key相同的元素意外
    • GNU以前提供的为：hash_multimap

• unordered_set(C++11)

  • 底层实现为：Hash Table

  • GNU以前提供的为：hash_set

    
    
    
    

    unordered_set的内存图

  • unordered_multiset(C++11)

    • 和unordered_set相同，除了可以存放相同的元素意外
    • GNU以前提供的为：hash_multiset

  • 常用函数

    • size()：元素数量
    • max_size()：最大空间
    • insert()：添加元素
    • find()：查找元素
    • bucket_count()：篮子的数量（篮子：hash 表中的格子有多少）
    • load_factor()：载重因子
    • max_load_factor()：最大载重因子
    • max_bucket_count()：最大的篮子的数量

• 关于容器特性的总结

  
  
  
  

  容器特性总结

分配器（Allocators）

• 使用容器时，不指定，会自动使用默认的分配器（std::allocator<_Tp>）

以GNU的allocator为例

#include <list>#include <stdexcept>#include <string>#include <cstdlib>      //abort()#include <cstdio>       //snprintf()#include <algorithm>    //find()#include <iostream>#include <ctime> #include <cstddef>#include <memory>   //內含 std::allocator      //欲使用 std::allocator 以外的 allocator, 得自行 #include <ext\...> #ifdef __GNUC__     #include <ext\array_allocator.h>#include <ext\mt_allocator.h>#include <ext\debug_allocator.h>#include <ext\pool_allocator.h>#include <ext\bitmap_allocator.h>#include <ext\malloc_allocator.h>#include <ext\new_allocator.h>  #endifnamespace jj20{//pass A object to function template impl()，//而 A 本身是個 class template, 帶有 type parameter T,  //那麼有無可能在 impl() 中抓出 T, 創建一個 list<T, A<T>> object? //以下先暫時迴避上述疑問.    void test_list_with_special_allocator(){#ifdef __GNUC__     cout << "\ntest_list_with_special_allocator().......... \n";         //不能在 switch case 中宣告，只好下面這樣.               //1000000次     list<string, allocator<string>> c1;                     //3140    list<string, __gnu_cxx::malloc_allocator<string>> c2;   //3110    list<string, __gnu_cxx::new_allocator<string>> c3;      //3156    list<string, __gnu_cxx::__pool_alloc<string>> c4;       //4922    list<string, __gnu_cxx::__mt_alloc<string>> c5;         //3297    list<string, __gnu_cxx::bitmap_allocator<string>> c6;   //4781                                                           int choice;long value;         cout << "select: "         << " (1) std::allocator "         << " (2) malloc_allocator "         << " (3) new_allocator "         << " (4) __pool_alloc "         << " (5) __mt_alloc "         << " (6) bitmap_allocator ";        cin >> choice;    if ( choice != 0 ) {        cout << "how many elements: ";        cin >> value;           }            char buf[10];           clock_t timeStart = clock();                                    for(long i=0; i< value; ++i)    {        try {            snprintf(buf, 10, "%d", i);            switch (choice)             {                case 1 :    c1.push_back(string(buf));                              break;                case 2 :    c2.push_back(string(buf));                              break;                      case 3 :    c3.push_back(string(buf));                             break;                      case 4 :    c4.push_back(string(buf));                              break;                      case 5 :    c5.push_back(string(buf));                                  break;                      case 6 :    c6.push_back(string(buf));                              break;                              default:                     break;                  }                           }        catch(exception& p) {            cout << "i=" << i << " " << p.what() << endl;               abort();        }    }    cout << "a lot of push_back(), milli-seconds : " << (clock()-timeStart) << endl;                 //test all allocators' allocate() & deallocate();    int* p;         allocator<int> alloc1;      p = alloc1.allocate(1);      alloc1.deallocate(p,1);                                 __gnu_cxx::malloc_allocator<int> alloc2;      p = alloc2.allocate(1);      alloc2.deallocate(p,1);                 __gnu_cxx::new_allocator<int> alloc3;       p = alloc3.allocate(1);      alloc3.deallocate(p,1);                 __gnu_cxx::__pool_alloc<int> alloc4;        p = alloc4.allocate(2);      alloc4.deallocate(p,2);     //我刻意令參數為 2, 但這有何意義!! 一次要 2 個 ints?             __gnu_cxx::__mt_alloc<int> alloc5;      p = alloc5.allocate(1);      alloc5.deallocate(p,1);                     __gnu_cxx::bitmap_allocator<int> alloc6;        p = alloc6.allocate(3);      alloc6.deallocate(p,3);     //我刻意令參數為 3, 但這有何意義!! 一次要 3 個 ints? #endif          }                                                           }

迭代器（Iterators）

• 迭代器的范围：前闭后开区间

迭代器的前闭后开区间

Container<T> c;.....Container<T>::iterator ite = c.begin();for(; ite != c.end(); ite++){......}

算法（Algorithms）、 适配器（Adapters）、（Functors）

参见：
(Boolan) C++ STL与泛型编程——算法、仿函数、Adapter