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标准模板库简介

2022/07/15237 作者:佚名
导读:标准模板库是一个C 软件库,大量影响了C 标准程序库但并非是其的一部分。其中包含4个组件,分别为算法、容器、函数、迭代器。 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。 在C 标准中,STL被组织为下面的13个头文件:、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 和 。 标准模板库历史 标准

标准模板库是一个C 软件库,大量影响了C 标准程序库但并非是其的一部分。其中包含4个组件,分别为算法、容器、函数、迭代器。

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。

在C 标准中,STL被组织为下面的13个头文件:、

标准模板库历史

标准模板库系由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持泛型程序设计。第一个支持泛型概念的语言是Ada。Alex和Musser曾于1987开发出一套相关的Ada library.

标准模板库设计人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程序,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,强制类型在出错时较容易发现程序错误。

1988年Stepanov先生转至HP公司运行开发泛型程序库的工作。此时,他已经认识C语言中指针(pointer)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。

Stepanov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,但不可能要求所有对象皆是继承这些,而且庞大的继承体系将减低虚拟(virtual)函数的运行效率,这便违反的前面所说的“效率”原则。

到了C 模板观念,Stepanov参加了许多有关的研讨会,与C 之父Bjarne讨论模板的设计细节。如,Stepanov认为C 的函数模板(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板之实例(instance);Bjarne则不然,他认为可以通过C 的重载(overloading)功能来表达。

Stepanov想像中的函数模板:

in*.hpp
template
             
              
Tsquare(Tx){returnx*x;}

in*.cpp
doublesquare(double);
cout<
               
               

Bjarne认为的函数模板:

in*.hpp
template
                
                 
Tsquare(Tx){returnx*x;}

in*.cpp
cout<
                  
                  

几经争辩,Stepanov发现Bjarne是对的(引用侯俊杰《标准模板库讲座·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 ,在标准模板库中占非常重要的角色。Alexander Stepanov(标准模板库创造者)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 的模板,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。显式的声明函数模板之实例,与直接通过C 的重载功能隐式声明,结果一样,并无很大区别,只是前者加重程序员的负担,使得程序变得累赘。

1992年Meng Lee加入Alex的项目,成为另一位主要贡献者。

1992年,HP泛型程序库项目结束,小组解散,只剩下Stepanov先生与Meng Lee小姐(她是东方人,标准模板库的英文名称其实是取STepanov与Lee而来),Lee先前研究的是编译器的制作,对C 的模板很熟,第一版的标准模板库中许多程序都是Lee的杰作。

1993年,Andy Koenig到史丹佛演讲,Stepanov便向他介绍标准模板库,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年知道标准模板库研究计划后,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愿意将标准模板库的帮助文档撰写齐全,在1月25日前提出,便可能成为标准C 的一部分。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的一部分。

标准模板库于1994年2月年正式成为ANSI/ISO C 的一部分,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。

标准模板库内容

STL 将“在数据上执行的操作”与“要执行操作的数据分开”,分别以如下概念指代:

  • 容器:包含、放置数据的地方。

  • 迭代器:在容器中指出一个位置、或成对使用以划定一个区域,用来限定操作所涉及到的数据范围。

  • 算法:要执行的操作。

标准模板库包含了序列容器(sequence containers)与关系容器(associative containers)。

序列容器包括vector,list,forward_list,deque和array等。

关联容器包括set,multiset,map,multimap,unordered_set,bitset和valarray等。

标准模板库迭代器

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:

  • 输入迭代器

  • 输出迭代器

  • 前向迭代器

  • 双向迭代器

  • 随机访问迭代器

标准模板库算法

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。

标准模板库函数对象

狭义的函数对象即重载了操作符()的类的实例,而广义来讲所有可用 x(...) 形式调用的 x 都可称为函数对象、或曰可调用对象。

标准模板库适配器

适配器(Adaptor)为一个模板类,用于提供接口映射。

标准模板库与C 标准程序库的差异

一个常见的误解是STL是C 标准程序库的一部分,但事实上并非如此。例如hash table的数据结构实当前STL中有 模板可供调用,但C 标准程序库一直到C 11才加入了 。 2100433B

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