C++ STL编程轻松入门 1

做为C++标准不可缺乏的一部分，STL应该是渗透在C++程序的角角落落里的。STL不是实验室里的宠儿，也不是程序员桌上的摆设，她的激动人心并不是昙花一现。本教程旨在传播和普及STL的基础知识，若能借此机会为STL的推广作些力所能及的事情，到也是件让人愉快的事情。 

　　1 初识STL：解答一些疑问

　　1.1 一个最关心的问题：什么是STL

　　"什么是STL？"，假如你对STL还知之甚少，那么我想，你必定很想知道这个问题的答案，坦率地讲，要期望用短短数言将这个问题阐述清楚，也决非易事。所以，若是你在看完本节以后仍是以为似懂非懂，大可没必要着急，在阅读了后续内容以后，相信你对STL的认识，将会越发清晰、准确和完整。不过，上述这番话听起来是否有点像是在为本身糟糕的表达能力开脱罪责呢？:）

　　不知道你是否有过这样的经历。在你准备着手完成数据结构老师所布置的家庭做业时，或者在你为你所负责的某个软件项目中添加一项新功能时，你发现须要用到一个链表(List)或者是映射表（Map）之类的东西，可是手头并无现成的代码。因而在你开始正式考虑程序功能以前，手工实现List或者Map是不可避免的。因而……，最终你顺利完成了任务。或许此时，做为一个具备较高素养的程序员的你还不愿罢休（或者是一个喜欢偷懒的优等生:），由于你会想到，若是之后还遇到这样的状况怎么办？没有必要再作一遍一样的事情吧！

　　若是说上述这种情形天天都在发生，或许有点夸张。可是，若是说整个软件领域里，数十年来确实都在为了一个目标而奋斗--可复用性（reusability），这看起来彷佛并不夸张。从最先的面向过程的函数库，到面向对象的程序设计思想，到各类组件技术（如：COM、EJB），到设计模式（design pattern）等等。而STL也在作着相似的事情，同时在它背后蕴涵着一种新的程序设计思想--泛型化设计（generic programming）。

　　继续上面提到的那个例子，假如你把List或者map无缺的保留了下来，正在暗自得意。且慢，若是下一回的List里放的不是浮点数而是整数呢？若是你所实现的Map在效率上老是令你不太满意而且有时还会出些bug呢？你该如何面对这些问题？使用STL是一个不错的选择，确实如此，STL能够漂亮地解决上面提到的这些问题，尽管你还能够寻求其余方法。

　　说了半天，到底STL是什么东西呢？

　　STL（Standard Template Library），即标准模板库，是一个具备工业强度的，高效的C++程序库。它被容纳于C++标准程序库（C++ Standard Library）中，是ANSI/ISO C++标准中最新的也是极具革命性的一部分。该库包含了诸多在计算机科学领域里所经常使用的基本数据结构和基本算法。为广大C++程序员们提供了一个可扩展的应用框架，高度体现了软件的可复用性。这种现象有些相似于Microsoft Visual C++中的MFC（Microsoft Foundation Class Library），或者是Borland C++ Builder中的VCL(Visual Component Library)，对于此两者，你们必定不会陌生吧。

　　从逻辑层次来看，在STL中体现了泛型化程序设计的思想（generic programming），引入了诸多新的名词，好比像需求（requirements），概念（concept），模型（model），容器（container），算法（algorithmn），迭代子（iterator）等。与OOP（object-oriented programming）中的多态（polymorphism）同样，泛型也是一种软件的复用技术。

　　从实现层次看，整个STL是以一种类型参数化（type parameterized）的方式实现的，这种方式基于一个在早先C++标准中没有出现的语言特性--模板（template）。若是查阅任何一个版本的STL源代码，你就会发现，模板做为构成整个STL的基石是一件千真万确的事情。除此以外，还有许多C++的新特性为STL的实现提供了方便。

　　不知你对这里一会儿冒出这么多术语作何感想，但愿不会另你不愉快。假如你对它们之中的大多数不甚了解，敬请放心，在后续内容中将会对这些名词逐一论述。正如开头所提到的。

　　有趣的是，对于STL还有另一种解释--STepanov & Lee，前者是指Alexander Stepanov，STL的创始人；然后者是Meng Lee，她也是使STL得以推行的功臣，第一个STL成品就是他们合做完成的。这一提法源自1995年3月，Dr.Dobb's Journal特约记者, 著名技术书籍做家Al Stevens对Alexander Stepanov的一篇专访。

　　1.2 追根溯源：STL的历史

　　在结识新朋友的时候，大多数人老是忍不住想了解对方的过去。本节将带您简单回顾一下STL的过去。

　　被誉为STL之父的Alexander Stepanov，出生于苏联莫斯科，早在20世纪70年代后半期，他便已经开始考虑，在保证效率的前提下，将算法从诸多具体应用之中抽象出来的可能性，这即是后来泛型化思想的雏形。为了验证本身的思想，他和纽约州立大学教授Deepak Kapur，伦塞里尔技术学院教授David Musser共同开发了一种叫作Tecton的语言。尽管此次尝试最终没有取得实用性的成果，但却给了Stepanov很大的启示。

　　在随后的几年中，他又和David Musser等人前后用Schema语言（一种Lisp语言的变种）和Ada语言创建了一些大型程序库。这其间，Alexander Stepanov开始意识到，在当时的面向对象程序设计思想中所存在的一些问题，好比抽象数据类型概念所存在的缺陷。Stepanov但愿经过对软件领域中各组成部分的分类，逐渐造成一种软件设计的概念性框架。

　　1987年左右，在贝尔实验室工做的Alexander Stepanov开始首次采用C++语言进行泛型软件库的研究。但遗憾的是，当时的C++语言尚未引入模板（template）的语法，如今咱们能够清楚的看到，模板概念之于STL实现，是何等重要。是时使然，采用继承机制是别无选择的。尽管如此，Stepanov仍是开发出了一个庞大的算法库。与此同时，在与Andrew Koenig（前ISO C++标准化委员会主席）和Bjarne Stroustrup（C++语言的创始人）等顶级大师们的共事过程当中，Stepanov开始注意到C/C++语言在实现其泛型思想方面所具备的潜在优点。就拿C/C++中的指针而言，它的灵活与高效运用，使后来的STL在实现泛型化的同时更是保持了高效率。另外，在STL中占据极其重要地位的迭代子概念即是源自于C/C++中原生指针（ native pointer）的抽象。

　　1988年，Alexander Stepanov开始进入惠普的Palo Alto实验室工做，在随后的4年中，他从事的是有关磁盘驱动器方面的工做。直到1992年，因为参加并主持了实验室主任Bill Worley所创建的一个有关算法的研究项目，才使他从新回到了泛型化算法的研究工做上来。项目自创建以后，参与者从最初的8人逐渐减小，最后只剩下两我的--Stepanove本人和Meng Lee。通过长时间的努力，最终，信念与汗水所换来的是一个包含有大量数据结构和算法部件的庞大运行库。这即是如今的STL的雏形（同时也是STL的一个实现版本--HP STL）。

　　1993年，当时在贝尔实验室的Andrew Koenig看到了Stepanove的研究成果，非常兴奋。在他的鼓励与帮助下，Stepanove因而年9月的圣何塞为ANSI/ISO C++标准委员会作了一个相关演讲（题为"The Science of C++ Programming"），向委员们讲述了其观念。而后又于次年3月，在圣迭戈会议上，向委员会提交了一份建议书，以期使STL成为C++标准库的一部分。尽管这一建议十分庞大，以致于下降了被经过的可能性，但因为其所包含的新思想，投票结果以压倒多数的意见认为推迟对该建议的决定。

　　随后，在众人的帮助之下，包括Bjarne Stroustrup在内，Stepanove又对STL进行了改进。同时加入了一个封装内存模式信息的抽象模块，也就是如今STL中的allocator，它使STL的大部分实现均可以独立于具体的内存模式，从而独立于具体平台。在同年夏季的滑铁卢会议上，委员们以80%同意，20%反对，最终经过了提案，决定将STL正式归入C++标准化进程之中，随后STL便被放进了会议的工做文件中。自此，STL终于成为了C++家族中的重要一员。

　　此后，随着C++标准的不断改进，STL也在不断地做着相应的演化。直至1998年，ANSI/ISO C++标准正式定案，STL始终是C++标准中不可或缺的一大部件。

　　1.3 千丝万缕的联系

　　在你了解了STL的过去以后，一些名词开始不断在你的大脑中浮现，STL、C++、C++标准函数库、泛型程序设计、面向对象程序设计……，这些概念意味着什么？他们之间的关系又是什么？若是你想了解某些细节，这里也许有你但愿获得的答案。

　　1.3.1 STL和C++

　　没有C++语言就没有STL，这么说绝不为过。通常而言，STL做为一个泛型化的数据结构和算法库，并不牵涉具体语言（固然，在C++里，它被称为STL）。也就是说，若是条件容许，用其余语言也能够实现之。这里所说的条件，主要是指相似于"模板"这样的语法机制。若是你没有略过前一节内容的话，应该能够看到，Alexander Stepanov在选择C++语言做为实现工具以前，早以采用过多种程序设计语言。可是，为何最终仍是C++幸运的承担了这个历史性任务呢？缘由不只在于前述那个条件，还在于C++在某些方面所表现出来的优越特性，好比：高效而灵活的指针。可是若是把C++做为一种OOP（Object-Oriented Programming，面向对象程序设计）语言来看待的话（事实上咱们通常都是这么认为的，不是吗？），其功能强大的继承机制却没有给STL的实现帮上多大的忙。在STL的源代码里，并无太多太复杂的继承关系。继承的思想，甚而面向对象的思想，还不足以实现相似STL这样的泛型库。C++只有在引入了"模板"以后，才直接致使了STL的诞生。这也正是为何，用其余比C++更纯的面向对象语言没法实现泛型思想的一个重要缘由。固然，事情老是在变化之中，像Java在这方面，就是一个很好的例子，jdk1.4中已经加入了泛型的特性。

　　此外，STL对于C++的发展，尤为是模板机制，也起到了促进做用。好比：模板函数的偏特化（template function partial specialization），它被用于在特定应用场合，为通常模板函数提供一系列特殊化版本。这一特性是继STL被ANSI/ISO C++标准委员会经过以后，在Bjarne和Stepanov共同商讨之下并由Bjarne向委员会提出建议的，最终该项建议被经过。这使得STL中的一些算法在处理特殊情形时能够选择非通常化的方式，从而保证了执行的效率。

　　1.3.2 STL和C++标准函数库

　　STL是最新的C++标准函数库中的一个子集，这个庞大的子集占据了整个库的大约80%的份量。而做为在实现STL过程当中扮演关键角色的模板则充斥了几乎整个C++标准函数库。在这里，咱们有必要看一看C++标准函数库里包含了哪些内容，其中又有哪些是属于标准模板库（即STL）的。

　　C++标准函数库为C++程序员们提供了一个可扩展的基础性框架。咱们从中能够得到极大的便利，同时也能够经过继承现有类，本身编制符合接口规范的容器、算法、迭代子等方式对之进行扩展。它大体包含了以下几个组件：

　　C标准函数库，基本保持了与原有C语言程序库的良好兼容，尽管有些微变化。人们总会忍不住留恋过去的美好岁月，若是你曾经是一个C程序员，对这一点必定体会颇深。或许有一点会让你以为奇怪，那就是在C++标准库中存在两套C的函数库，一套是带有.h扩展名的（好比<stdio.h>），而另外一套则没有（好比<cstdio>）。它们确实没有太大的不一样。

　　语言支持（language support）部分，包含了一些标准类型的定义以及其余特性的定义，这些内容，被用于标准库的其余地方或是具体的应用程序中。

　　诊断（diagnostics）部分，提供了用于程序诊断和报错的功能，包含了异常处理（exception handling），断言（assertions），错误代码（error number codes）三种方式。

　　通用工具（general utilities）部分，这部份内容为C++标准库的其余部分提供支持，固然你也能够在本身的程序中调用相应功能。好比：动态内存管理工具，日期/时间处理工具。记住，这里的内容也已经被泛化了（即采用了模板机制）。

　　字符串（string）部分，用来表明和处理文本。它提供了足够丰富的功能。事实上，文本是一个string对象，它能够被看做是一个字符序列，字符类型多是char，或者wchar_t等等。string能够被转换成char*类型，这样即可以和之前所写的C/C++代码和平共处了。由于那时侯除了char*，没有别的。

　　国际化（internationalization）部分，做为OOP特性之一的封装机制在这里扮演着消除文化和地域差别的角色，采用locale和facet能够为程序提供众多国际化支持，包括对各类字符集的支持，日期和时间的表示，数值和货币的处理等等。毕竟，在中国和在美国，人们表示日期的习惯是不一样的。

　　容器（containers）部分，STL的一个重要组成部分，涵盖了许多数据结构，好比前面曾经提到的链表，还有：vector（相似于大小可动态增长的数组）、queue（队列）、stack（堆栈）……。string也能够看做是一个容器，适用于容器的方法一样也适用于string。如今你能够轻松的完成数据结构课程的家庭做业了。

　　算法（algorithms）部分，STL的一个重要组成部分，包含了大约70个通用算法，用于操控各类容器，同时也能够操控内建数组。好比：find用于在容器中查找等于某个特定值的元素，for_each用于将某个函数应用到容器中的各个元素上，sort用于对容器中的元素排序。全部这些操做都是在保证执行效率的前提下进行的，因此，若是在你使用了这些算法以后程序变得效率底下，首先必定不要怀疑这些算法自己，仔细检查一下程序的其余地方。

　　迭代器（iterators）部分，STL的一个重要组成部分，若是没有迭代器的撮合，容器和算法便没法结合的如此完美。事实上，每一个容器都有本身的迭代器，只有容器本身才知道如何访问本身的元素。它有点像指针，算法经过迭代器来定位和操控容器中的元素。

　　数值（numerics）部分，包含了一些数学运算功能，提供了复数运算的支持。

　　输入/输出（input/output）部分，就是通过模板化了的原有标准库中的iostream部分，它提供了对C++程序输入输出的基本支持。在功能上保持了与原有iostream的兼容，而且增长了异常处理的机制，并支持国际化（internationalization）。

　　整体上，在C++标准函数库中，STL主要包含了容器、算法、迭代器。string也能够算作是STL的一部分。

图1：STL和C++标准函数库