标准模板库 - 维基百科,自由的百科全书
标准模板库(英語:Standard Template Library,缩写:STL),是一个C++软件库,大量影響了C++标准程序库但並非是其的一部分。其中包含4个组件,分别为算法、容器、函数、迭代器。[1]
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。
歷史
[编辑]标准模板库係由Alexander Stepanov創造於1979年前後,這也正是比雅尼·斯特勞斯特魯普創造C++的年代。
雖然David R. Musser於1971年開始即在計算機幾何領域發展並倡導某些泛型程序設計觀念,但早期並沒有任何程式語言支援泛型程序設計。第一個支援泛型概念的語言是Ada。[來源請求] Alex和Musser曾於1987開發出一套相關的Ada library.
标准模板库設計人Stepanov早期從事教育工作,1970年代研究泛型程序設計,那時他與其同事一起在GE公司開發出一個新的程序語言——Tecton。
1983年,Stepanov先生轉至纽约大学坦登工程学院担任助理教授,繼續研究泛型程序設計,同時寫了許多Scheme的程序,應用在graph與network的演算法上,1985年又轉至GE公司專門教授高階程序設計,並將graph與network的Scheme程式,改用Ada寫,用了Ada以後,他發現到一個動態(dynamically)类型的程序(如Scheme)與強制(strongly)类型的程序(如Ada)有多麼的不同。
在動態类型的程序中,所有类型都可以自由的轉換成別的类型,而強制类型的程序卻不能。但是,強制类型在出錯時較容易發現程序錯誤。
1988年Stepanov先生轉至HP公司執行開發泛型程序庫的工作。此時,他已经认识C語言中指標(pointer)的威力,他表示一個程序员只要有些許硬件知识,就很容易接受C語言中指標的觀念,同時也瞭解到C語言的所有数据結構均可以指標間接表示,這點是C與Ada、Scheme的最大不同。
Stepanov並認為,雖然C++中的繼承功能可以表示泛型設計,但終究有個限制。雖然可以在基礎类型(superclass)定義算法和接口,但不可能要求所有物件皆是繼承這些,而且龐大的繼承體系將減低虛擬(virtual)函數的執行效率,這便違反的前面所說的「效率」原則。
到了C++模板觀念,Stepanov參加了許多有關的研討會,與C++之父比雅尼討論模板的设计細節。如,Stepanov認為C++的函數模板(function template)應該像Ada一樣,在声明其函數原型後,應該显式的声明一个函數模板之实例(instance);比雅尼則不然,他認為可以透過C++的重載(overloading)功能來表達。
Stepanov想像中的函數模板:
//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);
比雅尼認為的函數模板:
//in *.hpp template<class T> T square(T x) { return x*x; } //in *.cpp cout << square(3.3); cout << square(3);
幾經爭辯,Stepanov發現比雅尼是對的(參考侯俊傑《标准模板库講座·第三章》)。事後Stepanov回想起來非常同意比雅尼的作法。
“ | template 引數推導機制(arguments deduction) ,在标准模板库中佔非常重要的角色。Alexander Stepanov(标准模板库創造者)在與Dr. Dobb's Journal進行的訪談中說道『1992 我重回generic-library的開發工作。這時候C++有了template 我發現比雅尼完成了一個非常美妙的設計。之前我在Bell Lab曾參與數次模板的相關設計討論,並且非常粗暴地要求比雅尼應該將C++模板設計得儘可能像Ada generics那樣。我想由於我的爭辯是如此地粗暴,他決定反對。我瞭解到在C++中除了擁有类模板(class template)之外還擁有函数模板的重要性。然而我認為函数模板應該像Ada generics一樣,也就是說它們應該是显式实例,比雅尼沒有聽進我的話,他設計了一個函数模板機制,其中的‘模板’是以一個重載化機制 (overloading mechanism)來進行隐式实例這項特殊的技術對我的工作具有關鍵性的影響,因為我發現它使我得以完成Ada不可能完成的許多動作。我非常高興比雅尼當初沒有聽我的意見。』(DDJ 1995 年三月號) | ” |
事實上,C++的模板,本身即是一套複雜的巨集語言(macro language),巨集語言最大的特色為:所有工作在編譯時期就已完成。显式的声明函數模板之实例,與直接透過C++的多載功能隱式声明,結果一樣,並無很大區別,只是前者加重程序员的負擔,使得程式變得累贅。
1992年Meng Lee加入Alex的專案,成為另一位主要貢獻者。
1992年,HP泛型程序庫計畫結束,小組解散,只剩下Stepanov先生與Meng Lee小姐(她是東方人,标准模板库的英文名稱其實是取STepanov與Lee而來[2]),Lee先前研究的是編譯器的製作,對C++的模板很熟,第一版的标准模板库中許多程式都是Lee的傑作。
1993年,Andy Koenig到斯坦福大学演講,Stepanov便向他介紹标准模板库,Koenig聽後,隨即邀請Stepanov參加1993年11月的ANSI/ISO C++標準化會議,並發表演講。
Bell實驗室的Andrew Koenig於1993年知道标准模板库研究計劃後,邀請Alex於是年11月的ANSI/ISO C++標準委員會會議上展示其觀念。並獲得與會者熱烈的迴應。
1994年1月6日,Koenig寄封電子郵件給Stepanov,表示如果Stepanov願意將标准模板库的說明文件撰寫齊全,在1月25日前提出,便可能成為標準C++的一部份。Stepanov回信道:"Andy, are you crazy?" 。 Koenig便說:"Well, yes I am crazy, but why not try it?"。
Alex於是在次年夏天在滑鐵盧舉行的會議前完成其正式的提案,並以百分之八十壓倒性多數,一舉讓這個巨大的計劃成為C++ Standard的一部份。
标准模板库於1994年2月年正式成為ANSI/ISO C++的一部份,它的出現,促使C++程序员的思維方式更朝向泛型编程(generic program)發展。
內容
[编辑]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。
容器
[编辑]标准模板库包含了序列容器(sequence containers)與關聯容器(associative containers)。
資料容器 | 描述 |
---|---|
序列容器 - 有序集 | |
vector | 动态数组,兼容C语言数组。vector可以如同陣列一樣的存取方式,例如使用下標(operator[])運算子,並記得自己的長度資訊(size),您也可以使用物件的方式來存取vector(push_back、pop_back)。使用vector可以輕易地定義多維可調整型陣列(std::vector<std::vector<...> >)。要使用vector,必須含入vector表頭檔。vector可在O(1)内完成在末尾插入 / 移除元素,但在vector中间或开头插入/移除元素,则需要消耗O(n)时间。 |
list | list容器是一個有序(Ordered)的資料結構(循序容器),每个元素中存储着上一个元素和下一个元素的地址(指针),因此是一个双向链接的链表。与vector相比,其元素的访问速度较慢,而在已知元素位置的情况下,插入和删除速度较快。STL容器中唯一支持事务语义。 |
forward_list (单向链表) | list的单链表版,去掉了一些操作。 |
deque (双端队列) | 可看做为能在常量时间内完成向开头或结尾插入或删除元素的vector,但是修改之后,其迭代器的有效性就无法得到保障。 |
array | 只能在初始化时指定大小的数组,可视为内置数组的封装。 |
关联容器 - 无序集 | |
set | 不重复元素的集合。 |
multiset | 跟set具有相同功能,但允許重複的元素。 |
map | 关联数组,每个元素含有两个数据项,map将一个数据项映射到另一个数据项中。 |
multimap | 跟map具有相同功能,但允許重複的鍵值。 |
unordered_set unordered_multiset unordered_map unordered_multimap | 分别类似于集合、多重集合、映射、多重映射,但使用哈希表实现。它的键(Keys)没有排序(operator<),相反必须存在一个从键类型到size_t的哈希函数、且要求键之间可以判等(operator==)。自C++11起进入语言标准。 |
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,没有迭代器,不是序列。可视为std::array<bool, N>。若需要改变序列长度,可用std::vector<bool>。 |
valarray | 数值类型的std::vector。牺牲泛型能力而专为数值计算做了优化,例如在数组上的sin操作可对数组内所有数值取正弦。有些实现会对std::valarray应用向量指令等优化手段。 一个观点是里面全是数值类型的valarray才是数学意义上的向量,而可以泛型的vector更该叫array——编程语言中的数组。 |
迭代器
[编辑]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[3]:
- 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
算法
[编辑]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,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。[4]。
函数对象
[编辑]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。[5]。
适配器(Adaptor)
[编辑]适配器为一个模板类,用于提供接口映射。[6]。
一個常見的誤解是STL是C++標準程式庫的一部分,但事實上並非如此。例如hash table的資料結構實作在STL中有<hash_map>模板可供調用,但C++標準程式庫一直到C++11才加入了<unordered_map>。參見无序关联容器_(STL)。
参考文献
[编辑]- ^ Holzner, Steven. C++ : Black Book. Scottsdale, Ariz.: Coriolis Group. 2001: 648. ISBN 1-57610-777-9.
The STL is made up of containers, iterators, function objects, and algorithms
- ^ # Al Stevens Interviews Alex Stepanov. [2013-10-25]. (原始内容存档于2009-05-01).
After all, STL stands for Stepanov and Lee...
- ^ Alexander, Stepanov. The Standard Template Library (PDF): 6. 1995 [2013-08-18]. (原始内容存档 (PDF)于2013-05-17).
Depending on the operations defined on them, there are five categories of iterators: input iterators, output iterators, forward iterators, bidirectional iterators and random access iterators.
- ^ Alexander, Stepanov. The Standard Template Library (PDF): 41. 1995 [2013-08-18]. (原始内容存档 (PDF)于2013-05-17).
- ^ Alexander, Stepanov. The Standard Template Library (PDF): 14. 1995 [2013-08-18]. (原始内容存档 (PDF)于2013-05-17).
- ^ Alexander, Stepanov. The Standard Template Library (PDF): 55. 1995 [2013-08-18]. (原始内容存档 (PDF)于2013-05-17).
参见
[编辑]外部連結
[编辑]- C/C++ reference (页面存档备份,存于互联网档案馆) includes a section on the STL
- STL programmer's guide (页面存档备份,存于互联网档案馆) official guide from SGI
- Bjarne Stroustrup on The emergence of the STL (页面存档备份,存于互联网档案馆) (Page 5, Section 3.1)
- Apache stdcxx (页面存档备份,存于互联网档案馆) portable Open Source implementation based on Rogue Wave (页面存档备份,存于互联网档案馆) STL
- STLport (页面存档备份,存于互联网档案馆) multiplatform STL implementation
- Dinkumware (页面存档备份,存于互联网档案馆) commercial STL implementation (ships with Visual C++ and several other compilers)
- Rogue Wave STL Class Reference
- MPTL shared-memory parallel extension of the STL using the Native POSIX Thread Library。
- STXXL: (页面存档备份,存于互联网档案馆) an STL implementation for external memory.
- STLSoft libraries (页面存档备份,存于互联网档案馆):open-source, 100% header-only, C/C++ libraries of technology-specific facades and STL extensions.
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