STL概述精简概述60minute

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1、STL概述STL的一个重要特点是数据结构和算法的分离。尽管这是个简单的概念，但这种分离确实使 得STL变得非常通用。例如，由于STL的sort()函数是完全通用的，你可以用它来操作几乎 任何数据集合，包括链表，容器和数组。要点STL算法作为模板函数提供。为了和其他组件相区别，在本书中STL算法以后接一对圆括 弧的方式表示，例如sort()。STL另一个重要特性是它不是面向对象的。为了具有足够通用性，STL主要依赖于模板而 不是封装，继承和虚函数(多态性)一一OOP的三个要素。你在STL中找不到任何明显的 类继承关系。这好像是一种倒退，但这正好是使得STL的组件具有广泛通用性的底层特征。 另外，

2、由于STL是基于模板，内联函数的使用使得生成的代码短小高效。提示确保在编译使用了 STL的程序中至少要使用-O优化来保证内联扩展。STL提供了大量的模 板类和函数，可以在OOP和常规编程中使用。所有的STL的大约50个算法都是完全通用 的，而且不依赖于任何特定的数据类型。下面的小节说明了三个基本的STL组件：1) 迭代器提供了访问容器中对象的方法。例如，可以使用一对迭代器指定list或vector中 的一定范围的对象。迭代器就如同一个指针。事实上，C+的指针也是一种迭代器。但是， 迭代器也可以是那些定义了 operator*。以及其他类似于指针的操作符地方法的类对象。2) 容器是一种数据结构，

3、如list，vector，和deques，以模板类的方法提供。为了访问容器 中的数据，可以使用由容器类输出的迭代器。3) 算法是用来操作容器中的数据的模板函数。例如，STL用sort()来对一个vector中的数据 进行排序，用find()来搜索一个list中的对象。函数本身与他们操作的数据的结构和类型无 关，因此他们可以在从简单数组到高度复杂容器的任何数据结构上使用。头文件为了避免和其他头文件冲突，STL的头文件不再使用常规的.h扩展。为了包含标准的string 类，迭代器和算法，用下面的指示符：#include #include #include valgorithm如果你查看STL的头文

4、件，你可以看到象iterator.h和stl_iterator.h这样的头文件。由于这些 名字在各种STL实现之间都可能不同，你应该避免使用这些名字来引用这些头文件。为了 确保可移植性，使用相应的没有.h后缀的文件名。表1列出了最常使用的各种容器类的头文 件。该表并不完整，对于其他头文件，我将在本章和后面的两章中介绍。表1. STL头文件和容器类#include Container Classvdequedequelistmap, multimap queue, priority_queueset, multisetstack vector, vector名字空间 你的编译器可能不能识别名字空

5、间。名字空间就好像一个信封，将标志符封装在另一个名字 中。标志符只在名字空间中存在，因而避免了和其他标志符冲突。例如，可能有其他库和程 序模块定义了 sort()函数，为了避免和STL地sort()算法冲突，STL的sort()以及其他标志符 都封装在名字空间std中。STL的sort()算法编译为std:sort()，从而避免了名字冲突。 尽管你的编译器可能没有实现名字空间，你仍然可以使用他们。为了使用STL，可以将下面 的指示符插入到你的源代码文件中，典型地是在所有的#include指示符的后面： using namespace std;迭代器迭代器提供对一个容器中的对象的访问方法，并且定

6、义了容器中对象的范围。迭代器就如同 一个指针。事实上，C+的指针也是一种迭代器。但是，迭代器不仅仅是指针，因此你不能 认为他们一定具有地址值。例如，一个数组索引，也可以认为是一种迭代器。迭代器有各种不同的创建方法。程序可能把迭代器作为一个变量创建。一个STL容器类可 能为了使用一个特定类型的数据而创建一个迭代器。作为指针，必须能够使用*操作符类获 取数据。你还可以使用其他数学操作符如+。典型的，+操作符用来递增迭代器，以访问 容器中的下一个对象。如果迭代器到达了容器中的最后一个元素的后面，则迭代器变成 past-the-end值。使用一个past-the-end值得指针来访问对象是非法的，就好

7、像使用NULL或 为初始化的指针一样。提示STL不保证可以从另一个迭代器来抵达一个迭代器。例如，当对一个集合中的对象排序时， 如果你在不同的结构中指定了两个迭代器，第二个迭代器无法从第一个迭代器抵达，此时程 序注定要失败。这是STL灵活性的一个代价。STL不保证检测毫无道理的错误。迭代器的类型对于STL数据结构和算法，你可以使用五种迭代器。下面简要说明了这五种类型： Input iterators提供对数据的只读访问。Output iterators提供对数据的只写访问Forward iterators提供读写操作，并能向前推进迭代器。Bidirectional iterators提供读写操作

8、，并能向前和向后操作。Random access iterators提供读写操作，并能在数据中随机移动。尽管各种不同的STL实现细节方面有所不同，还是可以将上面的迭代器想象为一种类继承 关系。从这个意义上说，下面的迭代器继承自上面的迭代器。由于这种继承关系，你可以将 一个Forward迭代器作为一个output或input迭代器使用。同样，如果一个算法要求是一个 bidirectional迭代器，那么只能使用该种类型和随机访问迭代器。指针迭代器正如下面的小程序显示的，一个指针也是一种迭代器。该程序同样显示了 STL的一个主要 特性一一它不只是能够用于它自己的类类型，而且也能用于任何C或C+类型

9、。Listing 1, iterdemo.cpp,显示了如何把指针作为迭代器用于STL的find()算法来搜索普通的数组。表 1. iterdemo.cpp#include viostream.h#include using namespace std;#define SIZE 100int iarraySIZE;int main()iarray20 = 50;int* ip = find(iarray, iarray + SIZE, 50);if (ip = iarray + SIZE)cout 50 not found in array endl;elsecout *ip found in

10、 array endl;return 0;在引用了 I/O流库和STL算法头文件(注意没有.h后缀)，该程序告诉编译器使用std名字 空间。使用std名字空间的这行是可选的，因为可以删除该行对于这么一个小程序来说不会 导致名字冲突。程序中定义了尺寸为SIZE的全局数组。由于是全局变量，所以运行时数组自动初始化为零。 下面的语句将在索引20位置处地元素设置为50,并使用find()算法来搜索值50:iarray20 = 50;int* ip = find(iarray, iarray + SIZE, 50);find()函数接受三个参数。头两个定义了搜索的范围。由于C和C+数组等同于指针，表达

11、式iarray指向数组的第一个元素。而第二个参数iarray + SIZE等同于past-the-end值，也就 是数组中最后一个元素的后面位置。第三个参数是待定位的值，也就是50。find()函数返回 和前两个参数相同类型的迭代器，这儿是一个指向整数的指针ip。提示必须记住STL使用模板。因此，STL函数自动根据它们使用的数据类型来构造。为了判断find()是否成功，例子中测试ip和past-the-end值是否相等：if (ip = iarray + SIZE) .如果表达式为真，则表示在搜索的范围内没有指定的值。否则就是指向一个合法对象的指针， 这时可以用下面的语句显示：cout *ip

12、 found in array #include #include using namespace std;vectorvint intVector(100);void main()intVector20 = 50;vector:iterator intIter =find(intVbctor.begin(), intVector.end(), 50);if (intIter != intVector.end()cout Vector contains value *intIter endl;elsecout Victor does not contain 50 endl;注意用下面的方法显示

13、搜索到的数据：cout Vector contains value *intIter endl;常量迭代器和指针一样，你可以给一个迭代器赋值。例如，首先申明一个迭代器：vector:iterator first;该语句创建了一个vectorvint类的迭代器。下面的语句将该迭代器设置到intVector的第一 个对象，并将它指向的对象值设置为123：:first = intVfector.begin();*first = 123;这种赋值对于大多数容器类都是允许的，除了只读变量。为了防止错误赋值，可以申明迭代 器为：const vector:iterator result;result = f

14、ind(intVfector.begin(), intVector.end(), value);if (result != intVfector.end()*result = 123; / ?警告另一种防止数据被改变得方法是将容器申明为const类型。呀！在VC中测试出错,正确的含义是result成为常量而不是它指向的对象不允许改变，如 同int *const p;看来这作者自己也不懂使用迭代器编程你已经见到了迭代器的一些例子，现在我们将关注每种特定的迭代器如何使用。由于使用迭 代器需要关于STL容器类和算法的知识，在阅读了后面的两章后你可能需要重新复习一下 本章内容。输入迭代器输入迭代器是最

15、普通的类型。输入迭代器至少能够使用=和!=测试是否相等；使用*来访问 数据；使用+操作来递推迭代器到下一个元素或到达past-the-end值。为了理解迭代器和STL函数是如何使用它们的，现在来看一下find()模板函数的定义： template Inputiterator find(Inputiterator first, InputIterator last, const T& value) while (first != last & *first != value) +first; return first;、，亠-7-.汪意在find()算法中，注意如果first和last指向不同的

16、容器，该算法可能陷入死循环。 输出迭代器输出迭代器缺省只写，通常用于将数据从一个位置拷贝到另一个位置。由于输出迭代器无法 读取对象，因此你不会在任何搜索和其他算法中使用它。要想读取一个拷贝的值，必须使用 另一个输入迭代器(或它的继承迭代器)。Listing 3. outiter.cpp#include viostream.h#include / Need copy()#include / Need vectorusing namespace std;double darray10=1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9;vectorvd

17、ouble vdouble(10);int main()vector:iterator outputIterator = vdouble.begin();copy(darray, darray + 10, outputIterator);while (outputIterator != vdouble.end() cout *outputIterator endl;outputIterator+;return 0;、，亠-7-.注意当使用copy()算法的时候，你必须确保目标容器有足够大的空间，或者容器本身是自动扩展 的。前推迭代器前推迭代器能够读写数据值，并能够向前推进到下一个值。但是没法递

18、减。replace()算法显 示了前推迭代器的使用方法。template void replace (ForwardIterator first,ForwardIterator last,const T& old_value,const T& new_value);使用replace()将first,last范围内的所有值为old_value的对象替换为new_value。： replace(vdouble.begin(), vdouble.end(), 1.5, 3.14159);双向迭代器双向迭代器要求能够增减。如reverse()算法要求两个双向迭代器作为参数：template void

19、 reverse (BidirectionalIterator first,BidirectionalIterator last);使用reverse()函数来对容器进行逆向排序：reverse(vdouble.begin(), vdouble.end();随机访问迭代器随机访问迭代器能够以任意顺序访问数据，并能用于读写数据(不是const的C+指针也是 随机访问迭代器)。STL的排序和搜索函数使用随机访问迭代器。随机访问迭代器可以使用 关系操作符作比较。random_shuffle()函数随机打乱原先的顺序。申明为：template vclass RandomAccessIteratorvo

20、id random_shuffle (RandomAccessIterator first,RandomAccessIterator last);使用方法：random_shuffle(vdouble.begin(), vdouble.end();迭代器技术要学会使用迭代器和容器以及算法，需要学习下面的新技术。流和迭代器本书的很多例子程序使用I/O流语句来读写数据。例如：int value;cout value;cout You entered value endl;对于迭代器，有另一种方法使用流和标准函数。理解的要点是将输入/输出流作为容器看待。 因此，任何接受迭代器参数的算法都可以和流一起

21、工作。Listing 4. outstrm.cpp#include #include / Need random(), srandom() using namespace std;#include / Need time()#include #include / Need sort(), copy()/ Need vectorvoid Display(vectorvint & v, const char* s);int main()/ Seed the random number generatorsrandom( time(NULL);/ Construct vector and fill

22、with random integer values vector collection(10);for (int i = 0; i & v, const char* s)cout endl s (cout, t);cout (cout, t);第三个参数实例化了 ostream_iteratorvint类型，并将它作为copy()函数的输出目标迭代器对 象。“t”字符串是作为分隔符。运行结果：$ g+ outstrm.cpp$ ./a.outBefore sorting67772268623896439725111811312After sorting11118238251312397677

23、686722964这是STL神奇的一面确实神奇。为定义输出流迭代器,STL提供了模板类ostream_iterator。 这个类的构造函数有两个参数：一个ostream对象和一个string值。因此可以象下面一样简 单地创建一个迭代器对象：ostream_iteratorvint(cout, n)该迭代起可以和任何接受一个输出迭代器的函数一起使用。插入迭代器插入迭代器用于将值插入到容器中。它们也叫做适配器，因为它们将容器适配或转化为一个 迭代器，并用于copy()这样的算法中。例如，一个程序定义了一个链表和一个矢量容器： list dList;vector dVector;通过使用front_

24、inserter迭代器对象，可以只用单个copy()语句就完成将矢量中的对象插入到 链表前端的操作：copy(dVfector.begin(), dVfector.end(), front_inserter(dList);三种插入迭代器如下： 普通插入器将对象插入到容器任何对象的前面。 Front inserters将对象插入到数据集的前面例如，链表表头。 Back inserters将对象插入到集合的尾部例如，矢量的尾部，导致矢量容器扩展。使用插入迭代器可能导致容器中的其他对象移动位置，因而使得现存的迭代器非法。例如， 将一个对象插入到矢量容器将导致其他值移动位置以腾出空间。一般来说，插入到

25、象链表这 样的结构中更为有效，因为它们不会导致其他对象移动。Listing 5. insert.cpp#include viostream.h#include #include vlist using namespace std;int iArray= 1, 2, 3, 4, 5 ;void Display(listvint & v, const char* s);int main()list iList;/ Copy iArray backwards into iListcopy(iArray, iArray + 5, front_inserter(iList);Display(iList,

26、 Before find and copy);/ Locate value 3 in iListlist:iterator p = find(iList.begin(), iList.end(), 3);/ Copy first two iArray values to iList ahead of pcopy(iArray, iArray + 2, inserter(iList, p);Display(iList, After find and copy);return 0;void Display(list& a, const char* s)cout s (cout,);cout iLi

27、st;list:iterator p =find(iList.begin(), iList.end(), 2);cout before: p = *p endl;advance(p, 2); / same as p = p + 2;cout after : p = *p endl;int k = 0;distance(p, iList.end(), k); cout k = k #include #include vtime.h#include #include 经常需要对容器中的数据进行用户自定义的操作。例如，你可能希望遍历一个容器中所有对 象的STL算法能够回调自己的函数。例如/ Need

28、 random。，srandom()/ Need time()/ Need vector/ Need for_each()#define VSIZE 24/ Size of vectorvector v(VSIZE); / Vector object / Function prototypesvoid initialize(long &ri);void show(const long &ri);bool isMinus(const long &ri); / Predicate function int main()srandom( time(NULL) ); / Seed random gen

29、eratorfor_each(v.begin(), v.end(), initialize);/ 调用普通函数 cout Vector of signed long integers endl; for_each(v.begin(), v.end(), show);cout endl;/ Use predicate function to count negative values/int count = 0;vector:iterator p;p = find_if(v.begin(), vend(), isMinus);/ 调用断言函数 while (p != v.end() count+

30、;p = find_if(p + 1, v.end(), isMinus);cout Number of values: VSIZE endl;cout Negative values : count endl;return 0;/ Set ri to a signed integer valuevoid initialize(long & ri)ri = ( random() - (RAND_MAX / 2);/ ri = random();/ Display value of rivoid show(const long & ri)cout ri ;/ Returns true if ri

31、 is less than 0bool isMinus(const long & ri)return (ri #include vnumeric / Need accumulate()#include vvector/ Need vector#include vfunctional / Need multiplies() (or times()#define MAX 10vectorvlong v(MAX); / VEctor objectint main()/ Fill vector using conventional loop/for (int i = 0; i v MAX; i+)vi

32、 = i + 1;/ Accumulate the sum of contained values/long sum =accumulate(v.begin(), v.end(), 0);cout vv Sum of values = vv sum vv endl;/ Accumulate the product of contained values/long product = accumulate(v.begin(), v.end(), 1, multipliesvlong();/注 意这行cout vv Product of values = vv product vv endl;re

33、turn 0;编译输出如下：$ g+ accum.cpp$ ./a.outSum of values = 55Product of values = 3628800注意使用了函数对象的accumulate。的用法。accumulate。在内部将每个容器中的对象和 第三个参数作为multiplies函数对象的参数,multiplies(l,v)计算乘积。VC中的这些模板的源 代码如下：/ TEMPLATE FUNCTION accumulatetemplatevclass _II, class _Ty inline_Ty accumulate(_II _F, _II _L, _Ty _V)for

34、 (; _F != _L; +_F)_V = _V + *_F;return (_V); / TEMPLATE FUNCTION accumulate WITH BINOPtemplatevclass _II, class _Ty, class _Bop inline_Ty accumulate(_II _F, _II _L, _Ty _V _Bop _B)for (; _F != _L; +_F)_V = _B(_V *_F);return (_V); / TEMPLATE STRUCT binary_functiontemplatevclass _A1, class _A2, class

35、_Rstruct binary_function typedef _A1 first_argument_type;typedef _A2 second_argument_type;typedef _R result_type;/ TEMPLATE STRUCT multipliestemplatevclass _Tystruct multiplies : binary_functionv_Ty, _Ty, _Ty _Ty operator()(const _Ty& _X, const _Ty& _Y) constreturn (_X * _Y); ;引言：如果你想深入了解STL到底是怎么实现的

36、，最好的办法是写个简单的程序，将程序 中涉及到的模板源码给copy下来，稍作整理，就能看懂了。所以没有必要去买什么STL 源码剖析之类的书籍，那些书可能反而浪费时间。发生器函数对象有一类有用的函数对象是“发生器”(generator)。这类函数有自己的内存，也就是说它能够从 先前的调用中记住一个值。例如随机数发生器函数。普通的C程序员使用静态或全局变量“记忆”上次调用的结果。但这样做的缺点是该函数无 法和它的数据相分离还有个缺点是要用TLS才能线程安全。显然，使用类来封装一块： “内存”更安全可靠。先看一下例子：Listing 9. randfunc.cpp#include viostream

37、.h#include vstdlib.h / Need random。，srandom()#include / Need time()#include / Need random_shuffle()#include / Need vector#include (functional/ Need ptr_fun() using namespace std;/ Data to randomizeint iarray10 = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, & 9, 10; vector v(iarray, iarray + 10);/ Function prototypesvoid Di

38、splay(vectorvint & vr, const char *s); unsigned int RandInt(const unsigned int n);int main()srandom( time(NULL) ); / Seed random generator Display(v, Before shuffle:);pointer_to_unary_functionvunsigned int, unsigned int ptr_RandInt = ptr_fun(RandInt); / Pointer to RandInt() 注意这行 random_shuffle(v.beg

39、in(), v.end(), ptr_RandInt);Display(v, After shuffle:); return 0; / Display contents of vector vrvoid Display(vector& vr, const char *s)cout endl s endl;copy(vr.begin(), vr.end(), ostream_iterator(cout,); cout ptr_RandInt = ptr_fun(RandInt);这儿使用STL的单目函数模板定义了一个变量ptr_RandInt，并将地址初始化到我们的函数 RandInt()。单目

40、函数接受一个参数，并返回一个值。现在random_shuffle()可以如下调用： random_shuffle(v.begin(), v.end(), ptr_RandInt);在本例子中，发生器只是简单的调用rand()函数。关于常量引用的一点小麻烦(不翻译了，VC下将例子中的const去掉)发生器函数类对象下面的例子说明发生器函数类对象的使用。Listing 10. fiborand.cpp#include viostream.h#include / Need random_shuffle()#include / Need vector#include (functional/ Need

41、 unary_functionusing namespace std;/ Data to randomizeint iarray10 = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, & 9, 10; vector v(iarray, iarray + 10);/ Function prototypevoid Display(vectorvint & vr, const char *s);/ The FiboRand template function-object classtemplate class FiboRand : public unary_function int i, j;Arg

42、sequence18;public:FiboRand();Arg operator()(const Arg& arg);void main()FiboRandvint fibogen; / Construct generator objectcout Fibonacci random number generator endl; cout using random_shuffle and a function object endl; Display(v, Before shuffle:);random_shuffle(v.begin(), v.end(), fibogen);Display(

43、v, After shuffle:);/ Display contents of vector vrvoid Display(vector& vr, const char *s)cout endl s (cout,);cout FiboRandvArg:FiboRand()sequence17 = 1;sequence16 = 2;for (int n = 15; n 0; n一)sequencen = sequencen + 1 + sequencen + 2;i = 17;j = 5;/ FiboRand class function operatortemplateArg FiboRan

44、d:operator()(const Arg & arg)Arg k = sequencei + sequencej;sequencei = k;i-;j-；if (i = 0) i = 17;if (j = 0) j = 17;return k % arg;编译运行输出如下：$ g+ fiborand.cpp$ ./a.outFibonacci random number generatorusing random_shuffle and a function objectBefore shuffle:1 2 3 4 5 6 7 8 9 10After shuffle:6 8 5 4 3 7

45、 10 1 9该程序用完全不通的方法使用使用rand_shuffle。Fibonacci发生器封装在一个类中，该类能 从先前的“使用”中记忆运行结果。在本例中，类FiboRand维护了一个数组和两个索引变量 I和j。FiboRand 类继承自 unary_function()模板：template class FiboRand : public unary_function .Arg是用户自定义数据类型。该类还定以了两个成员函数，一个是构造函数，另一个是 operator。()函数，该操作符允许random_shuffle()算法象一个函数一样“调用一个FiboRand 对象。绑定器函数对象一

46、个绑定器使用另一个函数对象f()和参数值V创建一个函数对象。被绑定函数对象必须为 双目函数，也就是说有两个参数,A和B。STL中的帮定器有： bindlst()创建一个函数对象，该函数对象将值V作为第一个参数A。 bind2nd()创建一个函数对象，该函数对象将值V作为第二个参数B。举例如下：Listing 11. binder.cpp#include viostream.h#include #include #include using namespace std;/ Dataint iarray10 = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, & 9, 10;list aList(iar

47、ray, iarray + 10);int main()int k = 0;count_if(aList.begin(), aList.end(),bind1st(greater(), 8), k);cout Number elements 8 = k (), 8)该表达式将greater()和一个参数值8捆绑为一个函数对象。由于使用了 bind1st(),所以 该函数相当于计算下述表达式：8 q表达式中的q是容器中的对象。因此，完整的表达式count_if(aList.begin(), aList.end(),bind1st(greater(), 8), k);计算所有小于或等于8的对象的数

48、目。否定函数对象所谓否定(negator)函数对象，就是它从另一个函数对象创建而来，如果原先的函数返回真， 则否定函数对象返回假。有两个否定函数对象：not1()和not2()。not1 ()接受单目函数对象， not2()接受双目函数对象。否定函数对象通常和帮定器一起使用。例如，上节中用bind1nd 来搜索q=8的值：count_if(aList.begin(), aList.end(), bind1st(greater(), 8), k);如果要搜索q8的对象，则用bind2st。而现在可以这样写：start = find_if(aList.begin(), aList.end(),no

49、t1(bind1nd(greatervint(), 6);你必须使用not1,因为bind1nd返回单目函数。总结：使用标准模板库(STL)尽管很多程序员仍然在使用标准C函数，但是这就好像骑着毛驴寻找Mercedes 一样。你当 然最终也会到达目标，但是你浪费了很多时间。尽管有时候使用标准C函数确实方便(如使用sprintf()进行格式化输出)。但是C函数不使用 异常机制来报告错误，也不适合处理新的数据类型。而且标准C函数经常使用内存分配技 术，没有经验的程序员很容易写出bug来。.C+标准库则提供了更为安全，更为灵活的数据集处理方式。STL最初由HP实验室的 Alexander Stepanov和Meng Lee开发。最近，C+标准委员会采纳了 STL，尽管在不同的实 现之间仍有细节差别。STL的最主要的两个特点：数据结构和算法的分离，非面向对象本质。访问对象是通过象指 针一样的迭代器实现的；容器是象链表，矢量之类的数据结构，并按模板方式提供；算法是 函数模板，用于操作容器中的数据。由于STL以模板为基础，所以能用于任何数据类型和 结构。