C++ 泛型程序设计与STL模板库(1)---泛型程序设计简介及STL简介与结构

泛型程序设计的基本概念

• 编写不依赖于具体数据类型的程序
• 将算法从特定的数据结构中抽象出来，成为通用的
• C++的模板为泛型程序设计奠定了关键的基础

术语：概念

• 用来界定具备一定功能的数据类型。例如：
  • 将“可以比大小的所有数据类型（有比较运算符）”这一概念记为Comparable
  • 将“具有公有的复制构造函数并可以用‘=’赋值的数据类型”这一概念记为Assignable
  • 将“可以比大小、具有公有的复制构造函数并可以用‘=’赋值的所有数据类型”这个概念记作Sortable
• 对于两个不同的概念A和B，如果概念A所需求的所有功能也是概念B所需求的功能，那么就说概念B是概念A的子概念。例如：
  • Sortable既是Comparable的子概念，也是Assignable的子概念

术语：模型

• 模型（model）：符合一个概念的数据类型称为该概念的模型，例如：
  • int型是Comparable概念的模型。
  • 静态数组类型不是Assignable概念的模型（无法用“=”给整个静态数组赋值）

用概念做模板参数名

• 很多STL的实现代码就是使用概念来命名模板参数的。
• 为概念赋予一个名称，并使用该名称作为模板参数名。

• 例如

  • 表示insertionSort这样一个函数模板的原型：

  • template <class Sortable>
    void insertionSort(Sortable a[], int n);

STL简介

标准模板库（Standard Template Library，简称STL）提供了一些非常常用的数据结构和算法

STL简介

• 标准模板库（Standard Template Library，简称STL）定义了一套概念体系，为泛型程序设计提供了逻辑基础
• STL中的各个类模板、函数模板的参数都是用这个体系中的概念来规定的。
• 使用STL的模板时，类型参数既可以是C++标准库中已有的类型，也可以是自定义的类型——只要这些类型是所要求概念的模型。

STL的基本组件

• 容器（container）
• 迭代器（iterator）
• 函数对象（function object）
• 算法（algorithms）

STL的基本组件间的关系

• Iterators（迭代器）是算法和容器的桥梁。
  • 将迭代器作为算法的参数、通过迭代器来访问容器而不是把容器直接作为算法的参数。
• 将函数对象作为算法的参数而不是将函数所执行的运算作为算法的一部分。
• 使用STL中提供的或自定义的迭代器和函数对象，配合STL的算法，可以组合出各种各样的功能。

STL的基本组件——容器（container）

• 容纳、包含一组元素的对象。
• 基本容器类模板
  • 顺序容器
    • array（数组）、vector（向量）、deque（双端队列）、forward_list（单链表）、list（列表）
  • (有序)关联容器
    • set（集合）、multiset（多重集合）、map（映射）、multimap（多重映射）
  • 无序关联容器
    • unorderedset （无序集合）、unorderedmultiset（无序多重集合）
    • unorderedmap（无序映射）、unordermultimap（无序多重映射）
• 容器适配器
  • stack（栈）、queue（队列）、priority_queue（优先队列）
• 使用容器，需要包含对应的头文件

STL的基本组件——迭代器（iterator）

• 迭代器是泛化的指针，提供了顺序访问容器中每个元素的方法
• 提供了顺序访问容器中每个元素的方法；
• 可以使用“++”运算符来获得指向下一个元素的迭代器；
• 可以使用“*”运算符访问一个迭代器所指向的元素，如果元素类型是类或结构体，还可以使用“->”运算符直接访问该元素的一个成员；
• 有些迭代器还支持通过“--”运算符获得指向上一个元素的迭代器；
• 迭代器是泛化的指针：指针也具有同样的特性，因此指针本身就是一种迭代器；
• 使用独立于STL容器的迭代器，需要包含头文件。

STL的基本组件——函数对象（function object）

• 一个行为类似函数的对象，对它可以像调用函数一样调用。
• 函数对象是泛化的函数：任何普通的函数和任何重载了“()” 运算符的类的对象都可以作为函数对象使用
• 使用STL的函数对象，需要包含头文件

STL的基本组件——算法（algorithms）

• STL包括70多个算法
  • 例如：排序算法，消除算法，计数算法，比较算法，变换算法，置换算法和容器管理等
• 可以广泛用于不同的对象和内置的数据类型。
• 使用STL的算法，需要包含头文件。
• 例10-1从标准输入读入几个整数，存入向量容器，输出它们的相反数

STL程序实例

transform算法的一种实现：

template <class InputIterator, class OutputIterator, class UnaryFunction>
OutputIterator transform(InputIterator first, InputIterator last, OutputIterator result, UnaryFunction op) {
    for (;first != last; ++first, ++result)
        *result = op(*first);
    return result;
}

• transform算法顺序遍历first和last两个迭代器所指向的元素；
• 将每个元素的值作为函数对象op的参数；
• 将op的返回值通过迭代器result顺序输出；
• 遍历完成后result迭代器指向的是输出的最后一个元素的下一个位置，transform会将该迭代器返回

本文内容参考自C++语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学出版社