C++核心编程——初识STL——STL的基本概念和六大组件

一.前言

长久以来，软件界一直希望建立一种可重复利用的东西，以及一种得以制造出“可重复运用的东西”的方法,让程序员的心血不止于随时间的迁移，人事异动而烟消云散，从函数(functions)，类别(classes),函数库(function libraries),类别库(class libraries)、各种组件，从模块化设计，到面向对象(object oriented )，到模式(pattern)的归纳整理，为的就是复用性的提升。

复用性必须建立在某种标准之上。但是在许多环境下，就连软件开发最基本的数据结构(data structures) 和算法(algorithm)都未能有一套标准。大量程序员被迫从事大量重复的工作，竟然是为了完成前人已经完成而自己手上并未拥有的程序代码，这不仅是人力资源的浪费，也是挫折与痛苦的来源。

为了建立数据结构和算法的一套标准，并且降低他们之间的耦合关系，以提升各自的独立性、弹性、交互操作性(相互合作性,interoperability),诞生了STL。

二.STL基本概念和组成

STL是惠普实验室开发的一系列标准化组件的统称。它是由Alexander Stepanov、M eng Lee和David R.M usser在惠普实验室工作时开发出来的。在1994年，STL被纳入C++标准，成为C++库的重要组成部分。STL主要由六个部分组成：

• 空间配置器（Allocator）
• 适配器（Adapters）
• 容器（Containers）
• 迭代器（Iterator）
• 仿函数（Functors)
• 算法（Algorithm）

STL的一个基本理念就是将数据和操作分离，数据由容器加以管理，操作则由可定制的算法完成，迭代器在两者之间充当“黏合剂”。

STL的组件结构图如下图所示：

①容器

容器，置物之所也。

容器是存储其他对象的对象，它存储的对象可以是自定义数据类型的对象，也可以是内置数据类型的对象。这些被存储的对象必须是同一种数据类型，它们归容器所有，称为容器的元素。当容器失效时，容器中的元素也会失效。容器本身包含了处理这些数据的方法。
从实现角度来看，STL容器是一种class template（类模板）。

STL容器是将运用最广泛的一些数据结构实现出来。数组(array),链表(list),tree(树)，栈(stack),队列(queue),集合(set),映射表(map),根据数据在容器中的排列特性，这些数据分为序列式容器和关联式容器两种。

• 序列式容器就是容器元素在容器中的位置是由元素进入容器的时间和地点来决定。Vector容器、Deque容器、List容器、Stack容器、Queue容器。
• 关联式容器是指容器已经有了一定的规则，容器元素在容器中的位置由我的规则来决定。Set/multiset容器 Map/multimap容器

STL中的容器共有13种：

②算法

算法，问题之解法也。

以有限的步骤，解决逻辑或数学上的问题，这一门学科我们叫做算法(Algorithms).
STL收录的算法经过了数学上的效能分析与证明，是极具复用价值的，包括sort、find、copy、for_each等。

从实现角度看，算法是STL定义的一系列函数模板，是STL非常重要的一部分内容。算法可以对容器中的元素施加特定操作。STL算法不依赖于容器的实现细节，只要容器的迭代器符合算法要求，算法就可以通过迭代器处理容器中的元素。

算法分为:质变算法和非质变算法。

• 质变算法：是指运算过程中会更改区间内的元素的内容。例如拷贝，替换，删除等。
• 非质变算法：是指运算过程中不会更改区间内的元素内容，例如查找、计数、遍历、寻找极值等等

③迭代器

迭代器是一个广义指针。事实上，它可以是指针，也可以是一个可对其执行类似指针的操作的类模板（共有五种类型，从实现角度来看，迭代器是一种将operator* , operator-> , operator++,operator–等指针相关操作予以重载的class template. ）。通过将指针广义化为迭代器，让STL能够为各种不同的容器类（包括那些简单指针无法处理的类）提供统一的接口。所有STL容器都附带有自己专属的迭代器，只有容器的设计者才知道如何借助迭代器使之能够依序寻访某个容器所含的各个元素，而又无需暴露该容器的内部表示方式。该迭代器的类型是一个名为iterator的typedef，其作用域为整个类。

总结：
迭代器是STL提供的用于操作容器中元素的类模板，其行为类似于指针，STL算法利用迭代器遍历容器中的元素，迭代器本身也提供了操作容器元素的方法，使容器元素访问更便捷。迭代器将容器与算法联系起来，起到了“黏合剂”的作用，STL提供的算法几乎都通过迭代器实现元素访问。

STL提供了输入迭代器、输出迭代器、正向迭代器、双向迭代器和随机访问迭代器五种类型的迭代器，使用迭代器访问容器元素更简单、易用，且代码更加紧凑、简洁。

种类	功能
输入迭代器	提供对数据的只读访问只读，支持++、==、！=
输出迭代器	提供对数据的只写访问只写，支持++
前向迭代器	提供读写操作，并能向前推进迭代器读写，支持++、==、！=
双向迭代器	提供读写操作，并能向前和向后操作读写，支持++、- -
随机访问迭代器	提供读写操作，并能在数据中随机移动读写，支持++、- -、[n]、-n、<、<=、>、>=

④空间配置器

C++标准库采用了空间配置器实现对象内存空间的分配和归还，空间配置器是特殊的内存模型。例如，使用vector容器，存储数据的空间由空间配置器完成内存的分配和资源回收。空间配置器本质上是对new和delete运算符再次封装而成的类模板，对外提供可用的接口，实现内存资源的自动化管理。

⑤适配器

适配器主要指容器适配器。容器适配器也是一类容器，它除了能存储普通数据，还可以存储list、vector、deque等容器。容器适配器采用特定的数据管理策略，能够使容器在操作数据时表现出另一种行为。例如，使用容器适配器stack封装一个vector容器，使vector容器在处理数据时，表现出栈这种数据结构的特点（先进后出）。
STL提供了三个容器适配器：

• stack（栈）
• queue（队列）
• priority_queue（优先队列）。

适配器体现了STL设计的通用性，极大提高了编程效率。

⑥仿函数

仿函数通过重载函数调用符号()运算符实现，使类具有函数一样的行为。仿函数也称为函数对象，是STL很重要的组成部分，它使STL的应用更加灵活方便，增强了算法的通用性。大多数STL算法可以使用一个仿函数作为参数，以达到某种数据操作的目的。例如，在排序算法中，可以使用仿函数less或greater作为参数，以实现数据从大到小或从小到大的排序。

三.STL工作机制

通过自己书写一个数组容器，来了解算法和容器是怎样分离的，并且了解迭代器是怎样充当粘合剂。

#include <iostream> 
using namespace std;
//数组容器
template<class T>
class MyArray
{
public://保护原生指针，给原生指针取别名，这个别名就是迭代器。typedef T* iterator;//迭代器类型MyArray(){mCapacity = 10;mSize = 10;p = new T[mCapacity];for (int i = 0; i < mCapacity; i++){p[i] = i + 1;}}//提供迭代器，开始位置的迭代器T* begin(){return p;}//返回结束位置的迭代器T* end(){return p + mSize;}
public:T* p;int mCapacity;//数组容量int mSize;//数组当前元素个数
};
//算法
//要遍历整个容器，只需获得容器首尾迭代器即可，这样就把容器和算法分离
//如果没有迭代器，就需要将算法写在容器内，只要用到算法，就要先创建容器，很麻烦。
template<class T>
void printArray(T begin,T end)
{for (; begin != end; ++begin){cout << *begin << " ";}
}
void test()
{MyArray<int> arr;//获取容器提供的开始位置迭代器MyArray<int>::iterator begin=arr.begin();//获取容器提供的结束位置迭代器MyArray<int>::iterator end = arr.end();printArray(begin, end);
}