C++标准库和 STL 的关系

C++标准库和 STL 的关系
STL 的历史
被誉为 STL 之父的 Alexander Stepanov,出生于苏联莫斯科,早在 20 世纪 70 年代后半期,他便已经开始考虑,在保证效率的前提下,将算法从诸多具体应用之中抽象出来的可能性,这便是后来泛型化思想的雏形。为了验证自己的思想,他和纽约州立大学教授 Deepak Kapur,伦塞里尔技术学院教授 David Musser 共同开发了一种叫做 Tecton 的语言。尽管这次尝试最终没有取得实用性的成果,但却给了 Stepanov 很大的启示。
STL 的本质的思想是将算法和数据结构之间独立!没有 C++语言就没有 STL,这么说毫不为过。一般而言,STL 作为一个泛型化的数据结构和算法库,并不牵涉具体语言(当然,在 C++里,它被称为STL)。
也就是说,如果条件允许,用其他语言也可以实现之。这里所说的条件,主要是指类似于"模板"这样的语法机制。如果你没有略过前一节内容的话,应该可以看到,Alexander Stepanov 在选择 C++语言作为实现工具之前,早以采用过多种程序设计语言。但是,为什么最终还是 C++幸运的承担了这个历史性任务呢?原因不仅在于前述那个条件,还在于 C++在某些方面所表现出来的优越特性,比如:高效而灵活的指针。但是如果把 C++作为一种 OOP(Object-Oriented Programming,面向对象程序设计)语言来看待的话(事实上我们一般都是这么认为的,不是吗?),其功能强大的继承机制却没有给 STL 的实现帮上多大的忙。在 STL 的源代码里,并没有太多太复杂的继承关系。继承的思想,甚而面向对象的思想,还不足以实现类似 STL 这样的泛型库。C++
只有在引入了"模板"之后,才直接导致了 STL 的诞生。这也正是为什么,用其他比 C++更纯的面向对象语言无法实现泛型思想的一个重要原因。当然,事情总是在变化之中,像 Java 在这方面,就是一个很好的例子,jdk1.4 中已经加入了泛型的特性。
C++ 中的模板机制是 STL 得以实现的重要的原因,而不是继承这个有用的机制此外,STL 对于 C++的发展,尤其是模板机制,也起到了促进作用。比如:模板函数的偏特化(templatefunction partial specialization),它被用于在特定应用场合,为一般模板函数提供一系列特殊化版本。这一特性
是继 STL 被 ANSI/ISO C++标准委员会通过之后,在 Bjarne 和 Stepanov 共同商讨之下并由 Bjarne 向委员会提出建议的,最终该项建议被通过。这使得 STL 中的一些算法在处理特殊情形时可以选择非一般化的方式,从而保证了执行的效率。
STL 是最新的 C++标准函数库中的一个子集,这个庞大的子集占据了整个库的大约 80%的分量。而作为在实现 STL 过程中扮演关键角色的模板则充斥了几乎整个 C++标准函数库。在这里,我们有必要看一看 C++标准函数库里包含了哪些内容,其中又有哪些是属于标准模板库(即 STL)的。C++标准函数库为 C++程序员们提供了一个可扩展的基础性框架。我们从中可以获得极大的便利,同时也可以通过继承现有类,自己编制符合接口规范的容器、算法、迭代子等方式对之进行扩展。它大致包含了如下几个组件:
C 标准函数库,基本保持了与原有 C 语言程序库的良好兼容,尽管有些微变化。人们总会忍不住留恋过去的美好岁月,如果你曾经是一个 C 程序员,对这一点一定体会颇深。或许有一点会让你觉得奇怪,那就是在 C++标准库中存在两套 C 的函数库,一套是带有.h 扩展名的(比如<stdio.h>),而另一套则没有(比如<cstdio>)。它们确实没有太大的不同。
语言支持(language support)部分,包含了一些标准类型的定义以及其他特性的定义,这些内容,被用于标准库的其他地方或是具体的应用程序中。
诊断(diagnostics)部分,提供了用于程序诊断和报错的功能,包含了异常处理(exception handling),断言(assertions),错误代码(error number codes)三种方式。
通用工具(general utilities)部分,这部分内容为 C++标准库的其他部分提供支持,当然你也可以在自己的程序中调用相应功能。比如:动态内存管理工具,日期/时间处理工具。记住,这里的内容也已经被泛化了(即采用了模板机制)。
字符串(string)部分,用来代表和处理文本。它提供了足够丰富的功能。事实上,文本是一个 string 对象,它可以被看作是一个字符序列,字符类型可能是 char,或者 wchar_t 等等。string 可以被转换成 char*类型,这样便可以和以前所写的 C/C++代码和平共处了。因为那时侯除了 char*,没有别的。
国际化(internationalization)部分,作为 OOP 特性之一的封装机制在这里扮演着消除文化和地域差异的角色,采用 locale 和 facet 可以为程序提供众多国际化支持,包括对各种字符集的支持,日期和时间的表示,数值和货币的处理等等。毕竟,在中国和在美国,人们表示日期的习惯是不同的。
容器(containers)部分,STL 的一个重要组成部分,涵盖了许多数据结构,比如前面曾经提到的链表,还有:vector(类似于大小可动态增加的数组)、queue(队列)、stack(堆栈)......。string 也可以看作是一个容器,适用于容器的方法同样也适用于 string。现在你可以轻松的完成数据结构课程的家庭作业了。
算法(algorithms)部分,STL 的一个重要组成部分,包含了大约 70 个通用算法,用于操控各种容器,同时也可以操控内建数组。比如:find 用于在容器中查找等于某个特定值的元素,for_each 用于将某个函数应用到容器中的各个元素上,sort 用于对容器中的元素排序。所有这些操作都是在保证执行效率的前提下进行的,所以,如果在你使用了这些算法之后程序变得效率底下,首先一定不要怀疑这些算法本身,仔细检查一下程序的其他地方。
迭代器(iterators)部分,STL 的一个重要组成部分,如果没有迭代器的撮合,容器和算法便无法结合的如此完美。事实上,每个容器都有自己的迭代器,只有容器自己才知道如何访问自己的元素。它有点像指针,算法通过迭代器来定位和操控容器中的元素。
数值(numerics)部分,包含了一些数学运算功能,提供了复数运算的支持。
输入/输出(input/output)部分,就是经过模板化了的原有标准库中的 iostream 部分,它提供了对 C++程序输入输出的基本支持。在功能上保持了与原有 iostream 的兼容,并且增加了异常处理的机制,并支持国际化(internationalization)。

总体上,在 C++标准函数库中,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。