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标准模板库

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标准模板库（英語：Standard Template Library，缩写：STL），是一个C++软件库，大量影響了C++标准程序库但並非是其的一部分。其中包含4个组件，分别为算法、容器、函数、迭代器。[1]

模板是C++程序设计语言中的一个重要特征，而标准模板库正是基于此特征。标准模板库使得C++编程语言在有了同Java一样强大的类库的同时，保有了更大的可扩展性。

歷史

标准模板库係由Alexander Stepanov（俄语：Степанов,_Александр_Александрович_(учёный)）創造於1979年前後，這也正是比雅尼·斯特勞斯特魯普創造C++的年代。

雖然David R. Musser（英语：David R. Musser）於1971年開始即在計算機幾何領域發展並倡導某些泛型程序設計觀念，但早期並沒有任何程式語言支援泛型程序設計。第一個支援泛型概念的語言是Ada。[來源請求] Alex和Musser曾於1987開發出一套相關的Ada library.

标准模板库設計人Stepanov早期從事教育工作，1970年代研究泛型程序設計，那時他與其同事一起在GE公司開發出一個新的程序語言——Tecton。

1983年，Stepanov先生轉至纽约大学坦登工程学院担任助理教授，繼續研究泛型程序設計，同時寫了許多Scheme的程序，應用在graph與network的演算法上，1985年又轉至GE公司專門教授高階程序設計，並將graph與network的Scheme程式，改用Ada寫，用了Ada以後，他發現到一個動態（dynamically）类型的程序（如Scheme）與強制（strongly）类型的程序（如Ada）有多麼的不同。

在動態类型的程序中，所有类型都可以自由的轉換成別的类型，而強制类型的程序卻不能。但是，強制类型在出錯時較容易發現程序錯誤。

1988年Stepanov先生轉至HP公司執行開發泛型程序庫的工作。此時，他已经认识C語言中指標(pointer)的威力，他表示一個程序员只要有些許硬件知识，就很容易接受C語言中指標的觀念，同時也瞭解到C語言的所有数据結構均可以指標間接表示，這點是C與Ada、Scheme的最大不同。

Stepanov並認為，雖然C++中的繼承功能可以表示泛型設計，但終究有個限制。雖然可以在基礎类型（superclass）定義算法和接口，但不可能要求所有物件皆是繼承這些，而且龐大的繼承體系將減低虛擬（virtual）函數的執行效率，這便違反的前面所說的「效率」原則。

到了C++模板觀念，Stepanov參加了許多有關的研討會，與C++之父比雅尼討論模板的设计細節。如，Stepanov認為C++的函數模板（function template）應該像Ada一樣，在声明其函數原型後，應該显式的声明一个函數模板之实例（instance）；比雅尼則不然，他認為可以透過C++的重載（overloading）功能來表達。

Stepanov想像中的函數模板： 

   //in *.hpp
   template<class T>
   T square(T x) { return x*x; }
 
   //in *.cpp
   double square(double);
   cout << square(3.3);
   int square(int);
   cout << square(3);

比雅尼認為的函數模板： 

   //in *.hpp
   template<class T>
   T square(T x) { return x*x; }
 
   //in *.cpp
   cout << square(3.3);
   cout << square(3);

幾經爭辯，Stepanov發現比雅尼是對的（參考侯俊傑《标准模板库講座·第三章》）。事後Stepanov回想起來非常同意比雅尼的作法。

事實上，C++的模板，本身即是一套複雜的巨集語言（macro language），巨集語言最大的特色為：所有工作在編譯時期就已完成。显式的声明函數模板之实例，與直接透過C++的多載功能隱式声明，結果一樣，並無很大區別，只是前者加重程序员的負擔，使得程式變得累贅。

1992年Meng Lee加入Alex的專案，成為另一位主要貢獻者。

1992年，HP泛型程序庫計畫結束，小組解散，只剩下Stepanov先生與Meng Lee小姐（她是東方人，标准模板库的英文名稱其實是取STepanov與Lee而來[2]），Lee先前研究的是編譯器的製作，對C++的模板很熟，第一版的标准模板库中許多程式都是Lee的傑作。

1993年，Andy Koenig到斯坦福大学演講，Stepanov便向他介紹标准模板库，Koenig聽後，隨即邀請Stepanov參加1993年11月的ANSI/ISO C++標準化會議，並發表演講。

Bell實驗室的Andrew Koenig於1993年知道标准模板库研究計劃後，邀請Alex於是年11月的ANSI/ISO C++標準委員會會議上展示其觀念。並獲得與會者熱烈的迴應。

1994年1月6日，Koenig寄封電子郵件給Stepanov，表示如果Stepanov願意將标准模板库的說明文件撰寫齊全，在1月25日前提出，便可能成為標準C++的一部份。Stepanov回信道："Andy, are you crazy?" 。 Koenig便說："Well, yes I am crazy, but why not try it?"。

Alex於是在次年夏天在滑鐵盧舉行的會議前完成其正式的提案，並以百分之八十壓倒性多數，一舉讓這個巨大的計劃成為C++ Standard的一部份。

标准模板库於1994年2月年正式成為ANSI/ISO C++的一部份，它的出現，促使C++程序员的思維方式更朝向泛型编程（generic program）發展。

內容

STL 将“在数据上执行的操作”与“要执行操作的数据分开”，分别以如下概念指代：

  • 容器：包含、放置数据的地方。
  • 迭代器：在容器中指出一个位置、或成对使用以划定一个区域，用来限定操作所涉及到的数据范围。
  • 算法：要执行的操作。

容器

标准模板库包含了序列容器（sequence containers）與關聯容器（associative containers）。

資料容器 描述
序列容器 - 有序集
vector 动态数组，兼容C语言数组。vector可以如同陣列一樣的存取方式，例如使用下標（operator[]）運算子，並記得自己的長度資訊（size），您也可以使用物件的方式來存取vector（push_back、pop_back）。使用vector可以輕易地定義多維可調整型陣列（std::vector<std::vector<...> >）。要使用vector，必須含入vector表頭檔。vector可在O(1)内完成在末尾插入 / 移除元素，但在vector中间或开头插入/移除元素，则需要消耗O(n)时间。
list list容器是一個有序（Ordered）的資料結構（循序容器），每个元素中存储着上一个元素和下一个元素的地址（指针），因此是一个双向链接的链表。与vector相比，其元素的访问速度较慢，而在已知元素位置的情况下，插入和删除速度较快。STL容器中唯一支持事务语义。
forward_list
（单向链表） 		list的单链表版，去掉了一些操作。
deque
（双端队列） 		可看做为能在常量时间内完成向开头或结尾插入或删除元素的vector，但是修改之后，其迭代器的有效性就无法得到保障。
array 只能在初始化时指定大小的数组，可视为内置数组的封装。
关联容器 - 无序集
set 不重复元素的集合。
multiset 跟set具有相同功能，但允許重複的元素。
map 关联数组，每个元素含有两个数据项，map将一个数据项映射到另一个数据项中。
multimap 跟map具有相同功能，但允許重複的鍵值。
unordered_set
unordered_multiset
unordered_map
unordered_multimap 		分别类似于集合、多重集合、映射、多重映射，但使用哈希表实现。它的键（Keys）没有排序（operator<），但是必须存在一个从键类型到size_t的哈希函数、且要求键之间可以判等（operator==）。自C++11起进入语言标准。
其他类型的容器
bitset 存储系列位类似的固定大小的布尔向量。实现按位运算，没有迭代器，不是序列。可视为std::array<bool, N>。若需要改变序列长度，可用std::vector<bool>。
valarray 数值类型的std::vector。牺牲泛型能力而专为数值计算做了优化，例如在数组上的sin操作可对数组内所有数值取正弦。有些实现会对std::valarray应用向量指令等优化手段。
一个观点是里面全是数值类型的valarray才是数学意义上的向量，而可以泛型的vector更该叫array——编程语言中的数组。

迭代器

迭代器是泛化的指针，通过使用迭代器，开发者可以操作数据结构而无需关心其内部实现。根据迭代器的操作方式的不同，迭代器分为五种[3]：

  • 输入迭代器
  • 输出迭代器
  • 前向迭代器
  • 双向迭代器
  • 随机访问迭代器

算法

STL提供了一些常见 的算法，如排序和搜索等。这些算法与数据结构的实现进行了分离。因此，也可对自定义的数据结构使用这些算法，只需让这些自定义的数据结构拥有算法所预期的迭代器。[4]。

函数对象

狭义的函数对象即重载了操作符()的类的实例，而广义来讲所有可用 x(...) 形式调用的 x 都可称为函数对象、或曰可调用对象。[5]。

适配器（Adaptor）

适配器为一个模板类，用于提供接口映射。[6]。

與C++標準程式庫的差異

一個常見的誤解是STL是C++標準程式庫的一部分，但事實上並非如此。例如hash table的資料結構實作在STL中有<hash_map>模板可供調用，但C++標準程式庫一直到C++11才加入了<unordered_map>。參見无序关联容器_(STL)。

参考文献

  1. ^ Holzner, Steven. C++ : Black Book. Scottsdale, Ariz.: Coriolis Group. 2001: 648. ISBN 1-57610-777-9. The STL is made up of containers, iterators, function objects, and algorithms 
  2. ^ # Al Stevens Interviews Alex Stepanov. [2013-10-25]. （原始内容存档于2009-05-01）. After all, STL stands for Stepanov and Lee... 
  3. ^ Alexander, Stepanov. The Standard Template Library (PDF): 6. 1995 [2013-08-18]. （原始内容存档 (PDF)于2013-05-17）. Depending on the operations defined on them, there are five categories of iterators: input iterators, output iterators, forward iterators, bidirectional iterators and random access iterators. 
  4. ^ Alexander, Stepanov. The Standard Template Library (PDF): 41. 1995 [2013-08-18]. （原始内容存档 (PDF)于2013-05-17）. 
  5. ^ Alexander, Stepanov. The Standard Template Library (PDF): 14. 1995 [2013-08-18]. （原始内容存档 (PDF)于2013-05-17）. 
  6. ^ Alexander, Stepanov. The Standard Template Library (PDF): 55. 1995 [2013-08-18]. （原始内容存档 (PDF)于2013-05-17）. 

参见

外部連結

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