标准模板库


标准模板库 (正體)

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。

目录

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。

内容

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, dequelist。至于关联容器则有 set, multiset, mapmultimap

资料容器 描述
有序/Lists - 有序集
vector C++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。
list list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。

参见

外部链接







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