《C++ Primer Plus》16.4 泛型编程 学习笔记
STL是一种泛型编程(generic programming)。面向对象编程关注的是编成的数据方面,而泛型编程关注的是算法。它们之间的共同点是抽象和创建可重用代码,单他们的理念决然不同。
泛型编程旨在编写独立于数据类型的代码。
16.4.1 为何使用迭代器
理解迭代器是理解STL的关键所在。模板使得算法独立于存储的数据类型,而迭代其使算法独立于使用的容器类型。因此,它们都是STL通用方法的重要组成部分。
为了解为何需要迭代器,我们来看如何为两种不同数据表现实现find函数,然后来看如何推广这种方法。首先来看一个在double数组中搜索特定值的函数,可以这样编写该函数:
double * find_ar(double * ar, int n, const double & val)
{
for (int i = 0; i < n; i ++)
if (ar[i] == val)
return &ar[i];
return 0; // or, in C++11, return nullptr;
}
如果函数在数组中找到这样的值,则返回该值在数组中的地址,否则返回一个空指针。该函数使用下标来便利数组。可以用模板将这种算法推广到包含==运算符的、任意类型的数组。尽管这样,这种算法仍然与一种特定的数据结构(数组)关联在一起。
下面来看搜索另一种数据结构——链表的情况(第12章使用链表实现了Queue类)。链表由连接在一起的Node结构组成:
struct Node
{
double item;
Node * p_next;
};
假设有一个指向链表第一个节点的指针,每个节点的p_next指针都指向下一个节点,链表最后一个节点的p_next指针被设置为0,则可以这样编写find_ll()函数:
Node* find_ll(Node * head, const double & val)
{
Node * start;
for (start = head; start != 0; start = start->p_next)
if (start->item == val)
return start;
return 0;
}
同样,也可以使用模板将这种算法推官到支持==运算符的任何数据类型的链表。然而,这种算法也是与特定的数据结构——链表关联在一起。
从实现细节上看,这两个find函数的算法是不同的:一个使用数组索引来便利元素,另一个则将start重置为start->p_next。但从冠以上说,这两种算法是相同的:将值依次与容器中的每一个值进行比较,知道找到匹配的位置。
泛型编程旨在使用同一个find函数来处理数组、链表或任何其他容器类型。即函数不仅独立于容器中存储的数据类型,而且独立于容器本身的数据结构。模板提供了存储在容器中的数据类型的通用表示,因此还需要便利容器中的值的通用表示,迭代器正式这样的通用表示。
要实现find函数,迭代器应具备的特征:
* 应能够对迭代其执行解除引用的操作,一边能够访问它引用的值。即如果p是一个迭代其,则应对*p进行定义。
* 应能够将一个迭代其赋给另一个。即如果p和q都是迭代器,则应对表达式p=q进行定义。
* 应能够将一个迭代器与另一个进行比较,看它们是否相等。即如果p和q都是迭代其,则应对p==q和p!=q进行定义。
* 应能够使用迭代其便利容器中的所有元素,这可以通过为迭代其p定义++p和p++来实现。
常规指针就能满足迭代器的要求,因此,可以这样重新编写find_arr()函数:
typedef double * iterator;
iterator find_ar(iterator ar, int n, const double double & val)
{
for (int i = 0; i < n; i++, ar++)
if (*ar == val)
return ar;
return 0;
}
然后可以修改函数参数,使之接受两个指示区间的指针参数,其中的一个指向数组的起始位置,另一个指向数组的超尾;同时函数可以通过返回尾指针,来指出没有找到要找的值。下面的find_ar()版本完成了这些修改:
typedef double * iterator;
iterator find_ar(iterator begin, iterator end, const double & val)
{
iterator ar;
for (ar = begin; ar != end; ar++)
if (*ar == vale)
return ar;
return end; // indicates val not found
}
对于find_ll()函数,可以定义一个迭代器类,其中定义了运算符*和++:
struct Node
{
double item;
Node * p_next;
};
class iterator
{
Node * pt;
public:
iteraotr() :p t(0) {}
iterator (Node * pn) : pt(n) {}
double operator*() { return pt->item; }
iterator& operator++() // for ++it
{
pt = pt->next;
return *this;
}
iterator oprator++(int) // for it++
{
iterator tmp = *this;
pt = pt->next;
return tmp;
}
// ... oprator==(), operator!=(), etc.
};
为区分++运算符的前缀版本和后缀版本,C++将operator++作为前缀版本,将operator++(int)作为后缀版本:其中的参数永远也不会被用到,所以不比指定其名称。
这里重点不是如何定义iterator类,而是有了这样的类后,第二个find函数就可以这样编写了:
iterator find_ll(iterator head, const double & val)
{
iterator start;
for (start = head; start != 0; ++ start)
if (*start == val)
return start;
return 0;
}
STL遵循上面介绍的方法。首先,每个容器类(vector、list、deque等)定义了相应的迭代其类型。对于其中的某个类,迭代其可能是指针;而对于另一个类,则肯呢哥是对象。不管实现方式如何,迭代其都将提供所需的操作,如*和++(有些累需要的操作可能比其他类多)。其次,每个容器类都有一个超微标记,当迭代其递增到超越容器的最后一个值后,这个值将被賦给迭代其。每个容器类都有begin()和end()方法,他们呢分别返回一个指向容器的第一个元素和超尾位置的迭代其。每个容器类都使用++操作,让迭代其从指向第一个元素逐步指向超微位置,从而便利容器中的每一个元素。
STL通过为每个类定义适当的迭代其,并以统一的风格射击类,能够对内部表示决然不同的容器,编写相同的代码。
使用C++11新增的自动类型推断可进一步简化:对于矢量或列表,都可使用如下代码:
for (auto pr = scores.begin(); pr != scores.end(); pr ++)
cout << *pr << endl;
z实际上,作为一种变成风个,最好避免直接使用迭代其,而应尽可能使用STL函数(如for_each())来处理细节。也可以使用C++11新增的基于范围的for循环:
for (auto x : scores) cout << x << endl;
总结一下STL方法:首先是处理容器的方法,应尽可能用通用的属于来表达算法,使之独立于数据类型和容器类性。为使通用算法能够适用于具体情况,应定义能够满足算法需求的迭代其,并把要求加到容器设计上。即基于算法的要求,设计基本迭代其的特征和容器特征。
16.4.2 迭代器类型
STL定义了五种类型的迭代器:输入迭代器、输出迭代器、正向迭代器、双向迭代器、随机迭代器。
16.4.3 迭代器层次结构
……
16.4.4 概念、改进和模型
……
16.4.5 容器种类
以前的11个容器类型分别是:deque,list,queue,priority_queue,stack,vector,map,multimap,set,multiset,bitset
C++新增了forward_list,unordered_map,unordered_multimap,unordered_set,unordered_multiset,且不将bitset视为容器,而将其视为一种独立的类别。
【这里包含各个种类容器的介绍*】
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