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作业时,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,你发现需要用到一个链表(List)或者是映射表(Map)之类的东西,但是手头并没有现成的代码。于是在你开始正式考虑程序功能之前,手工实现List或者Map是不可避免的。于是……,最终你顺利完成了任务。或许此时,作为一个具有较高素养的程序员的你还不肯罢休(或者是一个喜欢偷懒的优等生:),因为你会想到,如果以后还遇到这样的情况怎么办?没有必要再做一遍同样的事情吧!
如果说上述这种情形每天都在发生,或许有点夸张。但是,如果说整个软件领域里,数十年来确实都在为了一个目标而奋斗--可复用性(reusability),这看起来似乎并不夸张。从最早的面向过程的函数库,到面向对象的程序设计思想,到各种组件技术(如:COM、EJB),到设计模式(design pattern)等等。而STL也在做着类似的事情,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完好的保留了下来,正在暗自得意。且慢,如果下一回的List里放的不是浮点数而是整数呢?如果你所实现的Map在效率上总是令你不太满意并且有时还会出些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可以漂亮地解决上面提到的这些问题,尽管你还可以寻求其他方法。
1、千丝万缕的联系
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?如果你想了解某些细节,这里也许有你希望得到的答案。
1.1 STL和C++
没有C++语言就没有STL,这么说毫不为过。一般而言,STL作为一个泛型化的数据结构和算法库,并不牵涉具体语言(当然,在C++里,它被称为STL)。也就是说,如果条件允许,用其他语言也可以实现之。这里所说的条件,主要是指类似于"模板"这样的语法机制。如果你没有略过前一节内容的话,应该可以看到,Alexander Stepanov在选择C++语言作为实现工具之前,早以采用过多种程序设计语言。但是,为什么最终还是C++幸运的承担了这个历史性任务呢?原因不仅在于前述那个条件,还在于C++在某些方面所表现出来的优越特性,比如:高效而灵活的指针。但是如果把C++作为一种OOP(Object-Oriented Programming,面向对象程序设计)语言来看待的话(事实上我们一般都是这么认为的,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,并没有太多太复杂的继承关系。继承的思想,甚而面向对象的思想,还不足以实现类似STL这样的泛型库。C++只有在引入了"模板"之后,才直接导致了STL的诞生。这也正是为什么,用其他比C++更纯的面向对象语言无法实现泛型思想的一个重要原因。当然,事情总是在变化之中,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,尤其是模板机制,也起到了促进作用。比如:模板函数的偏特化(template function partial specialization),它被用于在特定应用场合,为一般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++标准委员会通过之后,在Bjarne和Stepanov共同商讨之下并由Bjarne向委员会提出建议的,最终该项建议被通过。这使得STL中的一些算法在处理特殊情形时可以选择非一般化的方式,从而保证了执行的效率。
1.2 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%的分量。而作为在实现STL过程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,我们有必要看一看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。我们从中可以获得极大的便利,同时也可以通过继承现有类,自己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。它大致包含了如下几个组件:
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,如果你曾经是一个C程序员,对这一点一定体会颇深。或许有一点会让你觉得奇怪,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(比如<stdio.h>),而另一套则没有(比如<cstdio>)。它们确实没有太大的不同。
语言支持(language support)部分,包含了一些标准类型的定义以及其他特性的定义,这些内容,被用于标准库的其他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,这部分内容为C++标准库的其他部分提供支持,当然你也可以在自己的程序中调用相应功能。比如: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,用来代表和处理文本。它提供了足够丰富的功能。事实上,文本是一个string对象,它可以被看作是一个字符序列,字符类型可能是char,或者wchar_t等等。string可以被转换成char*类型,这样便可以和以前所写的C/C++代码和平共处了。因为那时侯除了char*,没有别的。
国际化(internationalization)部分,作为OOP特性之一的封装机制在这里扮演着消除文化和地域差异的角色,采用locale和facet可以为程序提供众多国际化支持,包括对各种字符集的支持,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同的。
容器(containers)部分,STL的一个重要组成部分,涵盖了许多数据结构,比如前面曾经提到的链表,还有:vector(类似于大小可动态增加的数组)、queue(队列)、stack(堆栈)……。string也可以看作是一个容器,适用于容器的方法同样也适用于string。现在你可以轻松的完成数据结构课程的家庭作业了。
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,用于操控各种容器,同时也可以操控内建数组。比如: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。所有这些操作都是在保证执行效率的前提下进行的,所以,如果在你使用了这些算法之后程序变得效率底下,首先一定不要怀疑这些算法本身,仔细检查一下程序的其他地方。
迭代器(iterators)部分,STL的一个重要组成部分,如果没有迭代器的撮合,容器和算法便无法结合的如此完美。事实上,每个容器都有自己的迭代器,只有容器自己才知道如何访问自己的元素。它有点像指针,算法通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,就是经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,并且增加了异常处理的机制,并支持国际化(internationalization)。
总体上,在C++标准函数库中,STL主要包含了容器、算法、迭代器。string也可以算做是STL的一部分。
1.3 STL和GP,GP和OOP
正如前面所提到的,在STL的背后蕴含着泛型化程序设计(GP)的思想,在这种思想里,大部分基本算法被抽象,被泛化,独立于与之对应的数据结构,用于以相同或相近的方式处理各种不同情形。这一思想和面向对象的程序设计思想(OOP)不尽相同,因为,在OOP中更注重的是对数据的抽象,即所谓抽象数据类型(Abstract Data Type),而算法则通常被附属于数据类型之中。几乎所有的事情都可以被看作类或者对象(即类的实例),通常,我们所看到的算法被作为成员函数(member function)包含在类(class)中,类和类则构成了错综复杂的继承体系。
尽管在象C++这样的程序设计语言中,你还可以用全局函数来表示算法,但是在类似于Java这样的纯面向对象的语言中,全局函数已经被"勒令禁止"了。因此,用Java来模拟GP思想是颇为困难的。如果你对前述的STL历史还有印象的话,应该记得Alexander Stepanove也曾用基于OOP的语言尝试过实现GP思想,但是效果并不好,包括没有引入模板之前的C++语言。站在巨人的肩膀上,我们可以得出这样的结论,在OOP中所体现的思想与GP的思想确实是相异的。C++并不是一种纯面向对象的程序设计语言,它的绝妙之处,就在于既满足了OOP,又成全了GP。对于后者,模板立下了汗马功劳。另外,需要指出的是,尽管GP和OOP有诸多不同,但这种不同还不至于到"水火不容"的地步。并且,在实际运用的时候,两者的结合使用往往可以使问题的解决更为有效。作为GP思想实例的STL本身便是一个很好的范例,如果没有继承,不知道STL会是什么样子,似乎没有人做过这样的试验。
相信你对STL的感性认识应该有所提高了,是该做一些实际的工作了,那么我们首先来了解一下STL的不同实现版本。ANSI/ISO C++文件中的STL是一个仅被描述在纸上的标准,对于诸多C++编译器而言,需要有各自实际的STL,它们或多或少的实现了标准中所描述的内容,这样才能够为我们所用。之所以有不同的实现版本,则存在诸多原因,有历史的原因,也有各自编译器生产厂商的原因。
举例:使用STL使程序简明、易读易用 #include <iostream> #include <vector> #include <algorithm> using namespace std; void main(void) { vector<int> num; // STL中的vector容器 int element; // 从标准输入设备读入整数, // 直到输入的是非整型数据为止 while (cin >> element) num.push_back(element); // STL中的排序算法 sort(num.begin(), num.end()); // 将排序结果输出到标准输出设备 for (int i = 0; i < num.size(); i ++) cout << num[i] << "\n"; }
程序的前三行是包含的头文件,它们提供了程序所要用到的所有C++特性(包括输入输出处理,STL中的容器和算法)。不必在意那个.h,并不是我的疏忽,程序保证可以编译通过,只要你的C++编译器支持标准C++规范的相关部分。你只需要把它们看作是一些普通的C++头文件就可以了。事实上,也正是如此,如果你对这个变化细节感兴趣的化,可以留意一下你身旁的佐餐。
同样可以忽略第四行的存在。加入那个声明只是为了表明程序引用到了std这个标准名字空间(namespace),因为STL中的那些玩意儿全都包含在那里面。只有通过这行声明,编译器才能允许你使用那些有趣的特性。
程序中用到了vector,它是STL中的一个标准容器,可以用来存放一些元素。你可以把vector理解为int [?],一个整型的数组。之所以大小未知是因为,vector是一个可以动态调整大小的容器,当容器已满时,如果再放入元素则vector会悄悄扩大自己的容量。push_back是vector容器的一个类属成员函数,用来在容器尾端插入一个元素。main函数中第一个while循环做的事情就是不断向vector容器尾端插入整型数据,同时自动维护容器空间的大小。
sort是STL中的标准算法,用来对容器中的元素进行排序。它需要两个参数用来决定容器中哪个范围内的元素可以用来排序。这里用到了vector的另两个类属成员函数。begin()用以指向vector的首端,而end()则指向vector的末端。这里有两个问题,begin()和end()的返回值是什么?这涉及到STL的另一个重要部件--迭代器(Iterator),不过这里并不需要对它做详细了解。你只需要把它当作是一个指针就可以了,一个指向整型数据的指针。相应的sort函数声明也可以看作是void sort(int* first, int* last),尽管这实际上很不精确。另一个问题是和end()函数有关,尽管前面说它的返回值指向vector的末端,但这种说法不能算正确。事实上,它的返回值所指向的是vector中最末端元素的后面一个位置,即所谓pass-the-end value。这听起来有点费解,不过不必在意,这里只是稍带一提。总的来说,sort函数所做的事情是对那个准整型数组中的元素进行排序,一如第一个程序中的那个qsort,不过比起qsort来,sort似乎要简单了许多。
程序的最后是输出部分,在这里vector完全可以以假乱真了,它所提供的对元素的访问方式简直和普通的C++内建数组一模一样。那个size函数用来返回vector中的元素个数,就相当于第一个程序中的变量n。这两行代码直观的不用我再多解释了。
事态的发展有时候总会趋向极端,这在那些唯美主义者当中犹是如此。首先声明,我并不是一个唯美主义者,提供第二版程序的改进版,完全是为了让你更深刻的感受到STL的魅力所在。在看完第三版之后,你会强烈感受到这一点。或许你也会变成一个唯美主义者了,至少在STL方面。这应该不是我的错,因为决定权在你手里。下面我们来看看这个绝版的C++程序。
#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iterator>
using namespace std;
void main(void)
{
typedef vector<int> int_vector;
typedef istream_iterator<int> istream_itr;
typedef ostream_iterator<int> ostream_itr;
typedef back_insert_iterator< int_vector > back_ins_itr;
// STL中的vector容器
int_vector num;
// 从标准输入设备读入整数,
// 直到输入的是非整型数据为止
copy(istream_itr(cin), istream_itr(), back_ins_itr(num));
// STL中的排序算法
sort(num.begin(), num.end());
// 将排序结果输出到标准输出设备
copy(num.begin(), num.end(), ostream_itr(cout, "\n"));
在这个程序里几乎每行代码都是和STL有关的(除了main和那对花括号,当然还有注释),并且它包含了STL中几乎所有的各大部件(容器container,迭代器iterator, 算法algorithm, 适配器adaptor),唯一的遗憾是少了函数对象(functor)的身影。
还记得开头提到的一个典型系统所具有的基本特征吗?--输入+处理+输出。所有这些功能,在上面的程序里,仅仅是通过三行语句来实现的,其中每一行语句对应一种操作。对于数据的操作被高度的抽象化了,而算法和容器之间的组合,就像搭积木一样轻松自如,系统的耦合度被降到了极低点。这就是闪耀着泛型之光的STL的伟大力量。如此简洁,如此巧妙,如此神奇!就像魔术一般,以至于再一次让你摸不着头脑。怎么实现的?为什么在看第二版程序的时候如此清晰的你,又坠入了五里雾中(窃喜)。
请留意此处的标题(唯美主义的杰作),在实际环境中,你未必要做到这样完美。毕竟美好愿望的破灭,在生活中时常会发生。过于理想化,并不是一件好事,至少我是这么认为的。正如前面提到的,这个程序只是为了展示STL的独特魅力,你不得不为它的出色表现所折服,也许只有深谙STL之道的人才会想出这样的玩意儿来。如果你只是一般性的使用STL,做到第二版这样的程度也就可以了。
实在是因为这个程序太过"简单",以至于我无法肯定,在你还没有完全掌握STL之前,通过我的讲解,是否能够领会这区区三行代码,我将尽我的最大努力。
前面提到的迭代器可以对容器内的任意元素进行定位和访问。在STL里,这种特性被加以推广了。一个cin代表了来自输入设备的一段数据流,从概念上讲它对数据流的访问功能类似于一般意义上的迭代器,但是C++中的cin在很多地方操作起来并不像是一个迭代器,原因就在于其接口和迭代器的接口不一致(比如:不能对cin进行++运算,也不能对之进行取值运算--即*运算)。为了解决这个矛盾,就需要引入适配器的概念。istream_iterator便是一个适配器,它将cin进行包装,使之看起来像是一个普通的迭代器,这样我们就可以将之作为实参传给一些算法了(比如这里的copy算法)。因为算法只认得迭代器,而不会接受cin。对于上面程序中的第一个copy函数而言,其第一个参数展开后的形式是:istream_iterator(cin),其第二个参数展开后的形式是:istream_iterator()(如果你对typedef的语法不清楚,可以参考有关的c++语言书籍)。其效果是产生两个迭代器的临时对象,前一个指向整型输入数据流的开始,后一个则指向"pass-the-end value"。这个函数的作用就是将整型输入数据流从头至尾逐一"拷贝"到vector这个准整型数组里,第一个迭代器从开始位置每次累进,最后到达第二个迭代器所指向的位置。或许你要问,如果那个copy函数的行为真如我所说的那样,为什么不写成如下这个样子呢?
copy(istream_iterator<int>(cin), istream_iterator<int>(), num.begin());
你确实可以这么做,但是有一个小小的麻烦。还记得第一版程序里的那个数组越界问题吗?如果你这么写的话,就会遇到类似的麻烦。程序中的那个back_ins_itr(num)展开后就是:back_insert_iterator(num),其效果是生成一个这样的迭待器对象。
终于将讲完了三分之一(真不容易!),好在第二句和前一版程序没有差别,这里就略过了。至于第三句,ostream_itr(cout, "\n")展开后的形式是:ostream_iterator(cout, "\n"),其效果是产生一个处理输出数据流的迭待器对象,其位置指向数据流的起始处,并且以"\n"作为分割符。第二个copy函数将会从头至尾将vector中的内容"拷贝"到输出设备,第一个参数所代表的迭代器将会从开始位置每次累进,最后到达第二个参数所代表的迭代器所指向的位置。