1 初識(shí)STL：解答一些疑問(wèn) 1.1 一個(gè)最關(guān)心的問(wèn)題：什么是STL "什么是STL？"，假如你對(duì)STL還知之甚少，那么我想，你一定很想知道這個(gè)問(wèn)題的答案，坦率地講，要指望用短短數(shù)言將這個(gè)問(wèn)題闡述清楚，也決非易事。因此，如果你在看完本節(jié)之后還是覺(jué)得似懂非懂，大可不必著急，在閱讀了后續(xù)內(nèi)容之后，相信你對(duì)STL的認(rèn)識(shí)，將會(huì)愈加清晰、準(zhǔn)確和完整。不過(guò)，上述這番話聽(tīng)起來(lái)是否有點(diǎn)像是在為自己糟糕的表達(dá)能力開(kāi)脫罪責(zé)呢？:） 不知道你是否有過(guò)這樣的經(jīng)歷。在你準(zhǔn)備著手完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)老師所布置的家庭作業(yè)時(shí)，或者在你為你所負(fù)責(zé)的某個(gè)軟件項(xiàng)目中添加一項(xiàng)新功能時(shí)，你發(fā)現(xiàn)需要用到一個(gè)鏈表(List)或者是映射表（Map）之類的東西，但是手頭并沒(méi)有現(xiàn)成的代碼。于是在你開(kāi)始正式考慮程序功能之前，手工實(shí)現(xiàn)List或者M(jìn)ap是不可避免的。于是……，最終你順利完成了任務(wù)?；蛟S此時(shí)，作為一個(gè)具有較高素養(yǎng)的程序員的你還不肯罷休（或者是一個(gè)喜歡偷懶的優(yōu)等生:），因?yàn)槟銜?huì)想到，如果以后還遇到這樣的情況怎么辦？沒(méi)有必要再做一遍同樣的事情吧！ 如果說(shuō)上述這種情形每天都在發(fā)生，或許有點(diǎn)夸張。但是，如果說(shuō)整個(gè)軟件領(lǐng)域里，數(shù)十年來(lái)確實(shí)都在為了一個(gè)目標(biāo)而奮斗--可復(fù)用性（reusability），這看起來(lái)似乎并不夸張。從最早的面向過(guò)程的函數(shù)庫(kù)，到面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思想，到各種組件技術(shù)（如：COM、EJB），到設(shè)計(jì)模式（design pattern）等等。而STL也在做著類似的事情，同時(shí)在它背后蘊(yùn)涵著一種新的程序設(shè)計(jì)思想--泛型化設(shè)計(jì)（generic programming）。 繼續(xù)上面提到的那個(gè)例子，假如你把List或者map完好的保留了下來(lái)，正在暗自得意。且慢，如果下一回的List里放的不是浮點(diǎn)數(shù)而是整數(shù)呢？如果你所實(shí)現(xiàn)的Map在效率上總是令你不太滿意并且有時(shí)還會(huì)出些bug呢？你該如何面對(duì)這些問(wèn)題？使用STL是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，確實(shí)如此，STL可以漂亮地解決上面提到的這些問(wèn)題，盡管你還可以尋求其他方法。 說(shuō)了半天，到底STL是什么東西呢？ STL（Standard Template Library），即標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)，是一個(gè)具有工業(yè)強(qiáng)度的，高效的C++程序庫(kù)。它被容納于C++標(biāo)準(zhǔn)程序庫(kù)（C++ Standard Library）中，是ANSI/ISO C++標(biāo)準(zhǔn)中最新的也是極具革命性的一部分。該庫(kù)包含了諸多在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域里所常用的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和基本算法。為廣大C++程序員們提供了一個(gè)可擴(kuò)展的應(yīng)用框架，高度體現(xiàn)了軟件的可復(fù)用性。這種現(xiàn)象有些類似于Microsoft Visual C++中的MFC（Microsoft Foundation Class Library），或者是Borland C++ Builder中的VCL(Visual Component Library)，對(duì)于此二者，大家一定不會(huì)陌生吧。 從邏輯層次來(lái)看，在STL中體現(xiàn)了泛型化程序設(shè)計(jì)的思想（generic programming），引入了諸多新的名詞，比如像需求（requirements），概念（concept），模型（model），容器（container），算法（algorithmn），迭代子（iterator）等。與OOP（object-oriented programming）中的多態(tài)（polymorphism）一樣，泛型也是一種軟件的復(fù)用技術(shù)。 從實(shí)現(xiàn)層次看，整個(gè)STL是以一種類型參數(shù)化（type parameterized）的方式實(shí)現(xiàn)的，這種方式基于一個(gè)在早先C++標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有出現(xiàn)的語(yǔ)言特性--模板（template）。如果查閱任何一個(gè)版本的STL源代碼，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，模板作為構(gòu)成整個(gè)STL的基石是一件千真萬(wàn)確的事情。除此之外，還有許多C++的新特性為STL的實(shí)現(xiàn)提供了方便。 不知你對(duì)這里一下子冒出這么多術(shù)語(yǔ)做何感想，希望不會(huì)另你不愉快。假如你對(duì)它們之中的大多數(shù)不甚了解，敬請(qǐng)放心，在后續(xù)內(nèi)容中將會(huì)對(duì)這些名詞逐一論述。正如開(kāi)頭所提到的。 有趣的是，對(duì)于STL還有另外一種解釋--STepanov & Lee，前者是指Alexander Stepanov，STL的創(chuàng)始人；而后者是Meng Lee，她也是使STL得以推行的功臣，第一個(gè)STL成品就是他們合作完成的。這一提法源自1995年3月，Dr.Dobb's Journal特約記者, 著名技術(shù)書(shū)籍作家Al Stevens對(duì)Alexander Stepanov的一篇專訪。 在結(jié)識(shí)新朋友的時(shí)候，大多數(shù)人總是忍不住想了解對(duì)方的過(guò)去。本節(jié)將帶您簡(jiǎn)單回顧一下STL的過(guò)去。 被譽(yù)為STL之父的Alexander Stepanov，出生于蘇聯(lián)莫斯科，早在20世紀(jì)70年代后半期，他便已經(jīng)開(kāi)始考慮，在保證效率的前提下，將算法從諸多具體應(yīng)用之中抽象出來(lái)的可能性，這便是后來(lái)泛型化思想的雛形。為了驗(yàn)證自己的思想，他和紐約州立大學(xué)教授Deepak Kapur，倫塞里爾技術(shù)學(xué)院教授David Musser共同開(kāi)發(fā)了一種叫做Tecton的語(yǔ)言。盡管這次嘗試最終沒(méi)有取得實(shí)用性的成果，但卻給了Stepanov很大的啟示。 在隨后的幾年中，他又和David Musser等人先后用Schema語(yǔ)言（一種Lisp語(yǔ)言的變種）和Ada語(yǔ)言建立了一些大型程序庫(kù)。這其間，Alexander Stepanov開(kāi)始意識(shí)到，在當(dāng)時(shí)的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思想中所存在的一些問(wèn)題，比如抽象數(shù)據(jù)類型概念所存在的缺陷。Stepanov希望通過(guò)對(duì)軟件領(lǐng)域中各組成部分的分類，逐漸形成一種軟件設(shè)計(jì)的概念性框架。 1987年左右，在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作的Alexander Stepanov開(kāi)始首次采用C++語(yǔ)言進(jìn)行泛型軟件庫(kù)的研究。但遺憾的是，當(dāng)時(shí)的C++語(yǔ)言還沒(méi)有引入模板（template）的語(yǔ)法，現(xiàn)在我們可以清楚的看到，模板概念之于STL實(shí)現(xiàn)，是何等重要。是時(shí)使然，采用繼承機(jī)制是別無(wú)選擇的。盡管如此，Stepanov還是開(kāi)發(fā)出了一個(gè)龐大的算法庫(kù)。與此同時(shí)，在與Andrew Koenig（前ISO C++標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)主席）和Bjarne Stroustrup（C++語(yǔ)言的創(chuàng)始人）等頂級(jí)大師們的共事過(guò)程中，Stepanov開(kāi)始注意到C/C++語(yǔ)言在實(shí)現(xiàn)其泛型思想方面所具有的潛在優(yōu)勢(shì)。就拿C/C++中的指針而言，它的靈活與高效運(yùn)用，使后來(lái)的STL在實(shí)現(xiàn)泛型化的同時(shí)更是保持了高效率。另外，在STL中占據(jù)極其重要地位的迭代子概念便是源自于C/C++中原生指針（ native pointer）的抽象。 1988年，Alexander Stepanov開(kāi)始進(jìn)入惠普的Palo Alto實(shí)驗(yàn)室工作，在隨后的4年中，他從事的是有關(guān)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器方面的工作。直到1992年，由于參加并主持了實(shí)驗(yàn)室主任Bill Worley所建立的一個(gè)有關(guān)算法的研究項(xiàng)目，才使他重新回到了泛型化算法的研究工作上來(lái)。項(xiàng)目自建立之后，參與者從最初的8人逐漸減少，最后只剩下兩個(gè)人--Stepanove本人和Meng Lee。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的努力，最終，信念與汗水所換來(lái)的是一個(gè)包含有大量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法部件的龐大運(yùn)行庫(kù)。這便是現(xiàn)在的STL的雛形（同時(shí)也是STL的一個(gè)實(shí)現(xiàn)版本--HP STL）。 1993年，當(dāng)時(shí)在貝爾實(shí)驗(yàn)室的Andrew Koenig看到了Stepanove的研究成果，很是興奮。在他的鼓勵(lì)與幫助下，Stepanove于是年9月的圣何塞為ANSI/ISO C++標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)做了一個(gè)相關(guān)演講（題為"The Science of C++ Programming"），向委員們講述了其觀念。然后又于次年3月，在圣迭戈會(huì)議上，向委員會(huì)提交了一份建議書(shū)，以期使STL成為C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的一部分。盡管這一建議十分龐大，以至于降低了被通過(guò)的可能性，但由于其所包含的新思想，投票結(jié)果以壓倒多數(shù)的意見(jiàn)認(rèn)為推遲對(duì)該建議的決定。 隨后，在眾人的幫助之下，包括Bjarne Stroustrup在內(nèi)，Stepanove又對(duì)STL進(jìn)行了改進(jìn)。同時(shí)加入了一個(gè)封裝內(nèi)存模式信息的抽象模塊，也就是現(xiàn)在STL中的allocator，它使STL的大部分實(shí)現(xiàn)都可以獨(dú)立于具體的內(nèi)存模式，從而獨(dú)立于具體平臺(tái)。在同年夏季的滑鐵盧會(huì)議上，委員們以80%贊成，20%反對(duì)，最終通過(guò)了提案，決定將STL正式納入C++標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程之中，隨后STL便被放進(jìn)了會(huì)議的工作文件中。自此，STL終于成為了C++家族中的重要一員。 此后，隨著C++標(biāo)準(zhǔn)的不斷改進(jìn)，STL也在不斷地作著相應(yīng)的演化。直至1998年，ANSI/ISO C++標(biāo)準(zhǔn)正式定案，STL始終是C++標(biāo)準(zhǔn)中不可或缺的一大部件。 在你了解了STL的過(guò)去之后，一些名詞開(kāi)始不斷在你的大腦中浮現(xiàn)，STL、C++、C++標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)、泛型程序設(shè)計(jì)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)……，這些概念意味著什么？他們之間的關(guān)系又是什么？如果你想了解某些細(xì)節(jié)，這里也許有你希望得到的答案。 沒(méi)有C++語(yǔ)言就沒(méi)有STL，這么說(shuō)毫不為過(guò)。一般而言，STL作為一個(gè)泛型化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法庫(kù)，并不牽涉具體語(yǔ)言（當(dāng)然，在C++里，它被稱為STL）。也就是說(shuō)，如果條件允許，用其他語(yǔ)言也可以實(shí)現(xiàn)之。這里所說(shuō)的條件，主要是指類似于"模板"這樣的語(yǔ)法機(jī)制。如果你沒(méi)有略過(guò)前一節(jié)內(nèi)容的話，應(yīng)該可以看到，Alexander Stepanov在選擇C++語(yǔ)言作為實(shí)現(xiàn)工具之前，早以采用過(guò)多種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。但是，為什么最終還是C++幸運(yùn)的承擔(dān)了這個(gè)歷史性任務(wù)呢？原因不僅在于前述那個(gè)條件，還在于C++在某些方面所表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)越特性，比如：高效而靈活的指針。但是如果把C++作為一種OOP（Object-Oriented Programming，面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)）語(yǔ)言來(lái)看待的話（事實(shí)上我們一般都是這么認(rèn)為的，不是嗎？），其功能強(qiáng)大的繼承機(jī)制卻沒(méi)有給STL的實(shí)現(xiàn)幫上多大的忙。在STL的源代碼里，并沒(méi)有太多太復(fù)雜的繼承關(guān)系。繼承的思想，甚而面向?qū)ο蟮乃枷?，還不足以實(shí)現(xiàn)類似STL這樣的泛型庫(kù)。C++只有在引入了"模板"之后，才直接導(dǎo)致了STL的誕生。這也正是為什么，用其他比C++更純的面向?qū)ο笳Z(yǔ)言無(wú)法實(shí)現(xiàn)泛型思想的一個(gè)重要原因。當(dāng)然，事情總是在變化之中，像Java在這方面，就是一個(gè)很好的例子，jdk1.4中已經(jīng)加入了泛型的特性。 此外，STL對(duì)于C++的發(fā)展，尤其是模板機(jī)制，也起到了促進(jìn)作用。比如：模板函數(shù)的偏特化（template function partial specialization），它被用于在特定應(yīng)用場(chǎng)合，為一般模板函數(shù)提供一系列特殊化版本。這一特性是繼STL被ANSI/ISO C++標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)通過(guò)之后，在Bjarne和Stepanov共同商討之下并由Bjarne向委員會(huì)提出建議的，最終該項(xiàng)建議被通過(guò)。這使得STL中的一些算法在處理特殊情形時(shí)可以選擇非一般化的方式，從而保證了執(zhí)行的效率。 STL是最新的C++標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)中的一個(gè)子集，這個(gè)龐大的子集占據(jù)了整個(gè)庫(kù)的大約80%的分量。而作為在實(shí)現(xiàn)STL過(guò)程中扮演關(guān)鍵角色的模板則充斥了幾乎整個(gè)C++標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)。在這里，我們有必要看一看C++標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)里包含了哪些內(nèi)容，其中又有哪些是屬于標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)（即STL）的。 C++標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)為C++程序員們提供了一個(gè)可擴(kuò)展的基礎(chǔ)性框架。我們從中可以獲得極大的便利，同時(shí)也可以通過(guò)繼承現(xiàn)有類，自己編制符合接口規(guī)范的容器、算法、迭代子等方式對(duì)之進(jìn)行擴(kuò)展。它大致包含了如下幾個(gè)組件： C標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)，基本保持了與原有C語(yǔ)言程序庫(kù)的良好兼容，盡管有些微變化。人們總會(huì)忍不住留戀過(guò)去的美好歲月，如果你曾經(jīng)是一個(gè)C程序員，對(duì)這一點(diǎn)一定體會(huì)頗深?；蛟S有一點(diǎn)會(huì)讓你覺(jué)得奇怪，那就是在C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中存在兩套C的函數(shù)庫(kù)，一套是帶有.h擴(kuò)展名的（比如<stdio.h>），而另一套則沒(méi)有（比如<cstdio>）。它們確實(shí)沒(méi)有太大的不同。 語(yǔ)言支持（language support）部分，包含了一些標(biāo)準(zhǔn)類型的定義以及其他特性的定義，這些內(nèi)容，被用于標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的其他地方或是具體的應(yīng)用程序中。 診斷（diagnostics）部分，提供了用于程序診斷和報(bào)錯(cuò)的功能，包含了異常處理（exception handling），斷言（assertions），錯(cuò)誤代碼（error number codes）三種方式。 通用工具（general utilities）部分，這部分內(nèi)容為C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的其他部分提供支持，當(dāng)然你也可以在自己的程序中調(diào)用相應(yīng)功能。比如：動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理工具，日期/時(shí)間處理工具。記住，這里的內(nèi)容也已經(jīng)被泛化了（即采用了模板機(jī)制）。 字符串（string）部分，用來(lái)代表和處理文本。它提供了足夠豐富的功能。事實(shí)上，文本是一個(gè)string對(duì)象，它可以被看作是一個(gè)字符序列，字符類型可能是char，或者wchar_t等等。string可以被轉(zhuǎn)換成char*類型，這樣便可以和以前所寫(xiě)的C/C++代碼和平共處了。因?yàn)槟菚r(shí)侯除了char*，沒(méi)有別的。 國(guó)際化（internationalization）部分，作為OOP特性之一的封裝機(jī)制在這里扮演著消除文化和地域差異的角色，采用locale和facet可以為程序提供眾多國(guó)際化支持，包括對(duì)各種字符集的支持，日期和時(shí)間的表示，數(shù)值和貨幣的處理等等。畢竟，在中國(guó)和在美國(guó)，人們表示日期的習(xí)慣是不同的。 容器（containers）部分，STL的一個(gè)重要組成部分，涵蓋了許多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，比如前面曾經(jīng)提到的鏈表，還有：vector（類似于大小可動(dòng)態(tài)增加的數(shù)組）、queue（隊(duì)列）、stack（堆棧）……。string也可以看作是一個(gè)容器，適用于容器的方法同樣也適用于string?，F(xiàn)在你可以輕松的完成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的家庭作業(yè)了。 算法（algorithms）部分，STL的一個(gè)重要組成部分，包含了大約70個(gè)通用算法，用于操控各種容器，同時(shí)也可以操控內(nèi)建數(shù)組。比如：find用于在容器中查找等于某個(gè)特定值的元素，for_each用于將某個(gè)函數(shù)應(yīng)用到容器中的各個(gè)元素上，sort用于對(duì)容器中的元素排序。所有這些操作都是在保證執(zhí)行效率的前提下進(jìn)行的，所以，如果在你使用了這些算法之后程序變得效率底下，首先一定不要懷疑這些算法本身，仔細(xì)檢查一下程序的其他地方。 迭代器（iterators）部分，STL的一個(gè)重要組成部分，如果沒(méi)有迭代器的撮合，容器和算法便無(wú)法結(jié)合的如此完美。事實(shí)上，每個(gè)容器都有自己的迭代器，只有容器自己才知道如何訪問(wèn)自己的元素。它有點(diǎn)像指針，算法通過(guò)迭代器來(lái)定位和操控容器中的元素。 數(shù)值（numerics）部分，包含了一些數(shù)學(xué)運(yùn)算功能，提供了復(fù)數(shù)運(yùn)算的支持。 輸入/輸出（input/output）部分，就是經(jīng)過(guò)模板化了的原有標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的iostream部分，它提供了對(duì)C++程序輸入輸出的基本支持。在功能上保持了與原有iostream的兼容，并且增加了異常處理的機(jī)制，并支持國(guó)際化（internationalization）。 總體上，在C++標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)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。
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