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标准模板库

标准模板库（英语：Standard Template Library，缩写：STL），是一个C++软件库，大量影响了C++标准程序库但并非是其的一部分。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++程式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。

历史

标准模板库系由Alexander Stepanov（俄语：Степанов,_Александр_Александрович_(учёный)）创造于1979年前后，这也正是比雅尼·斯特劳斯特鲁普创造C++的年代。

虽然David R. Musser（英语：David R. Musser）于1971年开始即在电脑几何领域发展并倡导某些泛型程式设计观念，但早期并没有任何编程语言支持泛型程式设计。第一个支持泛型概念的语言是Ada。[来源请求] Alex和Musser曾于1987开发出一套相关的Ada library.

标准模板库设计人Stepanov早期从事教育工作，1970年代研究泛型程式设计，那时他与其同事一起在GE公司开发出一个新的程序语言——Tecton。

1983年，Stepanov先生转至纽约大学坦登工程学院担任助理教授，继续研究泛型程式设计，同时写了许多Scheme的程序，应用在graph与network的算法上，1985年又转至GE公司专门教授高阶程式设计，并将graph与network的Scheme程序，改用Ada写，用了Ada以后，他发现到一个动态（dynamically）类型的程序（如Scheme）与强制（strongly）类型的程序（如Ada）有多么的不同。

在动态类型的程序中，所有类型都可以自由的转换成别的类型，而强制类型的程序却不能。但是，强制类型在出错时较容易发现程序错误。

1988年Stepanov先生转至HP公司执行开发泛型程序库的工作。此时，他已经认识C语言中指针(pointer)的威力，他表示一个程序员只要有些许硬件知识，就很容易接受C语言中指针的观念，同时也了解到C语言的所有数据结构均可以指针间接表示，这点是C与Ada、Scheme的最大不同。

Stepanov并认为，虽然C++中的继承功能可以表示泛型设计，但终究有个限制。虽然可以在基础类型（superclass）定义算法和接口，但不可能要求所有物件皆是继承这些，而且庞大的继承体系将减低虚拟（virtual）函数的执行效率，这便违反的前面所说的“效率”原则。

到了C++模板观念，Stepanov参加了许多有关的研讨会，与C++之父比雅尼讨论模板的设计细节。如，Stepanov认为C++的函数模板（function template）应该像Ada一样，在声明其函数原型后，应该显式的声明一个函数模板之实例（instance）；比雅尼则不然，他认为可以透过C++的重载（overloading）功能来表达。

Stepanov想像中的函数模板： 

   //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);

比雅尼认为的函数模板： 

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

几经争辩，Stepanov发现比雅尼是对的（参考侯俊杰《标准模板库讲座·第三章》）。事后Stepanov回想起来非常同意比雅尼的作法。

事实上，C++的模板，本身即是一套复杂的宏语言（macro language），宏语言最大的特色为：所有工作在编译时期就已完成。显式的声明函数模板之实例，与直接透过C++的重载功能隐式声明，结果一样，并无很大区别，只是前者加重程序员的负担，使得程序变得累赘。

1992年Meng Lee加入Alex的项目，成为另一位主要贡献者。

1992年，HP泛型程序库计划结束，小组解散，只剩下Stepanov先生与Meng Lee小姐（她是东方人，标准模板库的英文名称其实是取STepanov与Lee而来[2]），Lee先前研究的是编译器的制作，对C++的模板很熟，第一版的标准模板库中许多程序都是Lee的杰作。

1993年，Andy Koenig到斯坦福大学演讲，Stepanov便向他介绍标准模板库，Koenig听后，随即邀请Stepanov参加1993年11月的ANSI/ISO C++标准化会议，并发表演讲。

Bell实验室的Andrew Koenig于1993年知道标准模板库研究计划后，邀请Alex于是年11月的ANSI/ISO C++标准委员会会议上展示其观念。并获得与会者热烈的回应。

1994年1月6日，Koenig寄封电邮给Stepanov，表示如果Stepanov愿意将标准模板库的帮助文档撰写齐全，在1月25日前提出，便可能成为标准C++的一部分。Stepanov回信道："Andy, are you crazy?" 。 Koenig便说："Well, yes I am crazy, but why not try it?"。

Alex于是在次年夏天在滑铁卢举行的会议前完成其正式的提案，并以百分之八十压倒性多数，一举让这个巨大的计划成为C++ Standard的一部分。

标准模板库于1994年2月年正式成为ANSI/ISO C++的一部分，它的出现，促使C++程序员的思维方式更朝向泛型编程（generic program）发展。

内容

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）与关系容器（associative containers）。

资料容器 描述
序列容器 - 有序集
vector 动态数组，兼容C语言数组。vector可以如同数组一样的存取方式，例如使用下标（operator[]）运算符，并记得自己的长度资讯（size），您也可以使用物件的方式来存取vector（push_back、pop_back）。使用vector可以轻易地定义多维可调整型数组（std::vector<std::vector<...> >）。要使用vector，必须含入vector头文件。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容器是一个有序（Ordered）的数据结构（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，可视为内建数组的封装。
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，但允许重复的元素。
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，但允许重复的键值。
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]。

与C++标准程序库的差异

一个常见的误解是STL是C++标准程序库的一部分，但事实上并非如此。例如hash table的数据结构实现在STL中有<hash_map>模板可供调用，但C++标准程序库一直到C++11才加入了<unordered_map>。参见无序关联容器_(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

外部链接

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