标准模板库 Introduction of STL

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标准模板库

STL

　　STL = Standard Template Library，标准模板库，惠普实验室开发的一系列软件的统称。它是由Alexander Stepanov、Meng Lee和David R Musser在惠普实验室工作时所开发出来的。这可能是一个历史上最令人兴奋的工具的最无聊的术语。从根本上说，STL是一些“容器”的集合，这些“容器”有list,vector,set,map等，STL也是算法和其他一些组件的集合。这里的“容器”和算法的集合指的是世界上很多聪明人很多年的杰作。STL的目的是标准化组件，这样就不用重新开发，可以使用现成的组件。STL现在是C++的一部分，因此不用额外安装什么。它被内建在你的编译器之内。

　　在C++标准中，STL被组织为下面的13个头文件：<algorithm>、<deque>、<functional>、<iterator>、<vector>、<list>、<map>、<memory>、<numeric>、<queue>、<set>、<stack>和<utility>。

算法

　　大家都能取得的一个共识是函数库对数据类型的选择对其可重用性起着至关重要的作用。举例来说，一个求方根的函数，在使用浮点数作为其参数类型的情况下的可重用性肯定比使用整型作为它的参数类性要高。而C++通过模板的机制允许推迟对某些类型的选择，直到真正想使用模板或者说对模板进行特化的时候，STL就利用了这一点提供了相当多的有用算法。它是在一个有效的框架中完成这些算法的——你可以将所有的类型划分为少数的几类，然后就可以在模版的参数中使用一种类型替换掉同一种类中的其他类型。

　　STL提供了大约100个实现算法的模版函数，比如算法for_each将为指定序列中的每一个元素调用指定的函数，stable_sort以你所指定的规则对序列进行稳定性排序等等。这样一来，只要我们熟悉了STL之后，许多代码可以被大大的化简，只需要通过调用一两个算法模板，就可以完成所需要的功能并大大地提升效率。

　　算法部分主要由头文件<algorithm>，<numeric>和<functional>组成。<algorithm>是所有STL头文件中最大的一个（尽管它很好理解），它是由一大堆模版函数组成的，可以认为每个函数在很大程度上都是独立的，其中常用到的功能范围涉及到比较、交换、查找、遍历操作、复制、修改、移除、反转、排序、合并等等。<numeric>体积很小，只包括几个在序列上面进行简单数学运算的模板函数，包括加法和乘法在序列上的一些操作。<functional>中则定义了一些模板类，用以声明函数对象。

容器

　　在实际的开发过程中，数据结构本身的重要性不会逊于操作于数据结构的算法的重要性，当程序中存在着对时间要求很高的部分时，数据结构的选择就显得更加重要。

　　经典的数据结构数量有限，但是我们常常重复着一些为了实现向量、链表等结构而编写的代码，这些代码都十分相似，只是为了适应不同数据的变化而在细节上有所出入。STL容器就为我们提供了这样的方便，它允许我们重复利用已有的实现构造自己的特定类型下的数据结构，通过设置一些模版类，STL容器对最常用的数据结构提供了支持，这些模板的参数允许我们指定容器中元素的数据类型，可以将我们许多重复而乏味的工作简化。

　　容器部分主要由头文件<vector>,<list>,<deque>,<set>,<map>,<stack>和<queue>组成。对于常用的一些容器和容器适配器（可以看作由其它容器实现的容器），可以通过下表总结一下它们和相应头文件的对应关系。

　　数据结构 描述 实现头文件

　　向量(vector) 连续存储的元素 <vector>

　　列表(list) 由节点组成的双向链表，每个结点包含着一个元素 <list>

　　双队列(deque) 连续存储的指向不同元素的指针所组成的数组 <deque>

　　集合(set) 由节点组成的红黑树，每个节点都包含着一个元素，节点之间以某种作用于元素对的谓词排列，没有两个不同的元素能够拥有相同的次序 <set>

　　多重集合(multiset) 允许存在两个次序相等的元素的集合 <set>

　　栈(stack) 后进先出的值的排列 <stack>

　　队列(queue) 先进先出的值的排列 <queue>

　　优先队列(priority_queue) 元素的次序是由作用于所存储的值对上的某种谓词决定的的一种队列 <queue>

　　映射(map) 由{键，值}对组成的集合，以某种作用于键对上的谓词排列 <map>

　　多重映射(multimap) 允许键对有相等的次序的映射 <map>

迭代器

　　下面要说的迭代器从作用上来说是最基本的部分，可是理解起来比前两者都要费力一些（至少笔者是这样）。软件设计有一个基本原则，所有的问题都可以通过引进一个间接层来简化，这种简化在STL中就是用迭代器来完成的。概括来说，迭代器在STL中用来将算法和容器联系起来，起着一种黏和剂的作用。几乎STL提供的所有算法都是通过迭代器存取元素序列进行工作的，每一个容器都定义了其本身所专有的迭代器，用以存取容器中的元素。

　　迭代器部分主要由头文件<utility>,<iterator>和<memory>组成。<utility>是一个很小的头文件，它包括了贯穿使用在STL中的几个模板的声明，<iterator>中提供了迭代器使用的许多方法，而对于<memory>的描述则十分的困难，它以不同寻常的方式为容器中的元素分配存储空间，同时也为某些算法执行期间产生的临时对象提供机制,<memory>中的主要部分是模板类allocator，它负责产生所有容器中的默认分配器。

 

 

 

 

 

 

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标准模板库（重定向自STL）

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标准模板库（STL，即Standard Template Library），是一个C++软件库，也是C++标准程式库的一部分。

模板是C++程序设计语言的一个比较新的重要特征，而标准模板库（STL）正是基于此特征。标准模板库（STL）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。

历史

STL系由Alexander Stepanov创造于1979年前后，这也正是比雅尼·斯特劳斯特鲁普创造C++的年代。

虽然David R. Musser于1971年开始即在计算机几何领域发展并倡导某些泛型程序设计观念，但早期并没有任何编程语言支援泛型程序设计。第一个支援泛型概念的语言是Ada Alex和Musser曾于1987开发出一套相关的Ada library.

STL之设计人Stepanov早期从事教育工作，1970年代研究泛型程序设计，那时他与其同事一起在GE公司开发出一个新的程序语言——Tecton。

1983年，Stepanov先生转至Polytechnic大学教书，继续研究泛型程序设计，同时写了许多Scheme的程序，应用在graph与network的算法上，1985年又转至GE公司专门教授高阶程序设计，并将graph与network的Scheme程式，改用Ada写，用了Ada以后，他发现到一个动态（dynamically）类型的程序（如Scheme）与强制（strongly）类型的程序（如Ada）有多么的不同。

在动态类型的程序中，所有类型都可以自由的转换成别的类型，而强制类型的程序却不能。但是，强制类型在除错时较容易发现程序错误。

1988年Stepanov先生转至HP公司执行开发泛型程序库的工作。此时，他已经认识C语言中指针的威力，他表示一个程序员只要有些许硬件知识，就很容易接受C语言中指针的观念，同时也了解到C语言的所有数据结构均可以指针间接表示，这点是C与Ada、Scheme的最大不同。

Steepanov并认为，虽然C++中的继承功能可以表示泛型设计，但终究有个限制。虽然可以在基础类型（superclass）定义算法和接口，但不可能要求所有物件皆是继承这些，而且庞大的继承体系将减低虚拟（virtual）函数的执行效率，这便违反的前面所说的“效率”原则。

到了C++模版观念，Stepanov参加了许多有关的研讨会，与C++之父Bjarne讨论模版的设计细节。如，Stepanov认为C++的函数模版（function template）应该像Ada一样，在声明其函数原型后，应该显式的声明一个函数模版之实例（instance）；Bjarne则不然，他认为可以透过C++的重载（overloading）功能来表达。

Stepanov想像中的函数模版：

  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认为的函数模版：

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

几经争辩，Stepanov发现Bjarne是对的（参考侯俊杰《STL讲座·第三章》）。事后Stepanov回想起来非常同意Bjarne的作法。

“template 引数推导机制（arguments deduction ，在 STL中占非常重要的角色。Alexander Stepanov（STL 的创造者）在与Dr. Dobb's Journal进行的访谈中说道‘1992 我重回generic-library的开发工作。这时候C++有了template

我发现Bjarne完成了一个非常美妙的设计。之前我在Bell Lab曾参与数次template的相关设计讨论，并且非常粗暴地要求Bjarne应该将C++ template设计得尽可能像Ada generics那样。我想由于我的争辩是如此地粗暴，他决定反对。我了解到在C++中除了拥有template classes之外还拥有template functions的重要性。然而我认为template function应该像Ada generics一样，也就是说它们应该是显式实例，Bjarne没有听进我的话，他设计了一个template function机制，其中的template是以一个重载化机制 （overloading mechanism来进行隐式实例这项特殊的技术对我的工作具有关键性的影响，因为我发现它使我得以完成Ada不可能完成的许多动作。我非常高兴Bjarne当初没有听我的意见。’（DDJ 1995 年三月号）

”

事实上，C++的模版，本身即是一套复杂的宏语言（macro language），宏语言最大的特色为：所有工作在编译时期就已完成。显式的声明函数模版之实例，与直接透过C++的多载功能隐式声明，结果一样，并无很大区别，只是前者加重程序员的负担，使得程式变得累赘。

1992年Meng Lee加入Alex的专案，成为另一位主要贡献者。

1992年，HP泛型程序库计划结束，小组解散，只剩下Stepanov先生与Meng Lee小姐（她是东方人，STL的名称其实是取STepanov与Lee而来），Lee先前研究的是编译器的制作，对C++的模版很熟，第一版的STL中许多程式都是Lee的杰作。

1993年，Andy Koenig到斯坦福演讲，Stepanov便向他介绍STL，Koenig听后，随即邀请Stepanov参加1993年11月的ANSI/ISO C++标准化会议，并发表演讲。

Bell实验室的Andrew Koenig于1993年知道STL研究计划后，邀请Alex于是年11月的ANSI/ISO C++标准委员会会议上展示其观念。并获得与会者热烈的回应。

1994年1月6日，Koenig寄封电子邮件给Stepanov，表示如果Stepanov愿意将STL的说明文件撰写齐全，在1月25日前提出，便可能成为标准C++的一部份。Stepanov回信道："Andy, are you crazy?" 。 Koenig便说："Well, yes I am crazy,but why not try it?"。

Alex于是在次年夏天在Waterloo举行的会议前完成其正式的提案，并以百分之八十压倒性多数，一举让这个巨大的计划成为C++ Standard的一部份。

STL于1994年2月年正式成为ANSI/ISO C++的一部份，它的出现，促使C++程序员的思维方式更朝向泛型编程（generic program）发展。

容器

STL 包含了序列容器（sequence containers）与关联容器（associative containers）。 序列容器包含了 vector, deque 和 list。至于关联容器则有 set, multiset, map 和 multimap。

资料容器描述有序／Lists - 有序集vectorC++提供了内建阵列的替代型态vector，vector 可以如同阵列一样的存取方式，例如使用下标（Subscript）运算子，并记得自己的长度资讯（size），您也可以使用物件的方式来存取vector（push、pop）。使用vector可以轻易地定义二维可调整型阵列。要使用vector，必须含入vector表头档。listlist容器是一个有序（Ordered）的数据结构（循序容器），其特性主要是实作串行数据结构。具有双向链结作用。deque
(双端队列)一个在固定的时间分别往开头或结尾插入或删除的向量，但是它在修改之后缺乏迭代器有效性的保障。Associative containers - 无序集set multiset跟set具有相同功能，但允许重复的元素。map multimap跟map具有相同功能，但允许重复的键值。hash_set
hash_multiset
hash_map
hash_multimap分别类似于集合，多集合，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STL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。