標準樣板函式庫
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標準樣板函式庫(英語:Standard Template Library,縮寫:STL),是一個C++軟體庫,大量影響了C++標準程式庫但並非是其的一部分。其中包含4個組件,分別為演算法、容器、函式、迭代器。[1]
模板是C++程式設計語言中的一個重要特徵,而標準樣板函式庫正是基於此特徵。標準樣板函式庫使得C++程式語言在有了同Java一樣強大的類別館的同時,保有了更大的可延伸性。
歷史
標準樣板函式庫係由Alexander Stepanov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於1971年開始即在計算機幾何領域發展並倡導某些泛型程式設計觀念,但早期並沒有任何程式語言支援泛型程式設計。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.
標準樣板函式庫設計人Stepanov早期從事教育工作,1970年代研究泛型程式設計,那時他與其同事一起在GE公司開發出一個新的程式語言——Tecton。
1983年,Stepanov先生轉至紐約大學坦登工程學院擔任助理教授,繼續研究泛型程式設計,同時寫了許多Scheme的程式,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式設計,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)類型的程式(如Scheme)與強制(strongly)類型的程式(如Ada)有多麼的不同。
在動態類型的程式中,所有類型都可以自由的轉換成別的類型,而強制類型的程式卻不能。但是,強制類型在出錯時較容易發現程式錯誤。
1988年Stepanov先生轉至HP公司執行開發泛型程式庫的工作。此時,他已經認識C語言中指標(pointer)的威力,他表示一個程式設計師只要有些許硬體知識,就很容易接受C語言中指標的觀念,同時也瞭解到C語言的所有資料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。雖然可以在基礎類型(superclass)定義演算法和介面,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)函式的執行效率,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設計細節。如,Stepanov認為C++的函式模板(function template)應該像Ada一樣,在聲明其函式原型後,應該顯式的聲明一個函式模板之實例(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想像中的函式模板:
//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);
比雅尼認為的函式模板:
//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〈標準樣板函式庫講座·第三章〉)。事後Stepanov回想起來非常同意比雅尼的作法。
“ | template 引數推導機制(arguments deduction) ,在標準樣板函式庫中佔非常重要的角色。Alexander Stepanov(標準樣板函式庫創造者)在與Dr. Dobb's Journal進行的訪談中說道『1992 我重回generic-library的開發工作。這時候C++有了template
我發現比雅尼完成了一個非常美妙的設計。之前我在Bell Lab曾參與數次模板的相關設計討論,並且非常粗暴地要求比雅尼應該將C++模板設計得儘可能像Ada generics那樣。我想由於我的爭辯是如此地粗暴,他決定反對。我瞭解到在C++中除了擁有類別模板(class template)之外還擁有函式模板的重要性。然而我認為函式模板應該像Ada generics一樣,也就是說它們應該是顯式實例,比雅尼沒有聽進我的話,他設計了一個函式模板機制,其中的『模板』是以一個重載化機制 (overloading mechanism)來進行隱式實例這項特殊的技術對我的工作具有關鍵性的影響,因為我發現它使我得以完成Ada不可能完成的許多動作。我非常高興比雅尼當初沒有聽我的意見。』(DDJ 1995 年三月號) |
” |
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。顯式的聲明函式模板之實例,與直接透過C++的多載功能隱式聲明,結果一樣,並無很大區別,只是前者加重程式設計師的負擔,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泛型程式庫計畫結束,小組解散,只剩下Stepanov先生與Meng Lee小姐(她是東方人,標準樣板函式庫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,第一版的標準樣板函式庫中許多程式都是Lee的傑作。
1993年,Andy Koenig到史丹佛大學演講,Stepanov便向他介紹標準樣板函式庫,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年知道標準樣板函式庫研究計劃後,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願意將標準樣板函式庫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。
標準樣板函式庫於1994年2月年正式成為ANSI/ISO C++的一部份,它的出現,促使C++程式設計師的思維方式更朝向泛型編程(generic program)發展。
內容
STL 將「在資料上執行的操作」與「要執行操作的資料分開」,分別以如下概念指代:
- 容器:包含、放置資料的地方。
- 迭代器:在容器中指出一個位置、或成對使用以劃定一個區域,用來限定操作所涉及到的資料範圍。
- 演算法:要執行的操作。
容器
標準樣板函式庫包含了序列容器(sequence containers)與關聯容器(associative containers)。
資料容器 | 描述 |
---|---|
序列容器 - 有序集 | |
vector | 動態陣列,相容C語言陣列。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)內完成在末尾插入 / 移除元素,但在vector中間或開頭插入/移除元素,則需要消耗O(n)時間。 |
list | list容器是一個有序(Ordered)的資料結構(循序容器),每個元素中儲存著上一個元素和下一個元素的位址(指標),因此是一個雙向連結的鏈結串列。與vector相比,其元素的訪問速度較慢,而在已知元素位置的情況下,插入和刪除速度較快。STL容器中唯一支援事務語意。 |
forward_list (單向鏈結串列) |
list的單鏈結串列版,去掉了一些操作。 |
deque (雙端佇列) |
可看做為能在常數時間內完成向開頭或結尾插入或刪除元素的vector,但是修改之後,其迭代器的有效性就無法得到保障。 |
array | 只能在初始化時指定大小的陣列,可視為內建陣列的封裝。 |
關聯容器 - 無序集 | |
set | 不重複元素的集合。 |
multiset | 跟set具有相同功能,但允許重複的元素。 |
map | 關聯陣列,每個元素含有兩個資料項,map將一個資料項對映到另一個資料項中。 |
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 |
分別類似於集合、多重集合、對映、多重對映,但使用雜湊表實現。它的鍵(Keys)沒有排序(operator<),相反必須存在一個從鍵類型到size_t的雜湊函式、且要求鍵之間可以判等(operator==)。自C++11起進入語言標準。 |
其他類型的容器 | |
bitset | 儲存系列位類似的固定大小的布林向量。實現按位元運算,沒有迭代器,不是序列。可視為std::array<bool, N>。若需要改變序列長度,可用std::vector<bool>。 |
valarray | 數值類型的std::vector。犧牲泛型能力而專為數值計算做了最佳化,例如在陣列上的sin操作可對陣列內所有數值取正弦。有些實現會對std::valarray應用向量指令等最佳化手段。 一個觀點是裡面全是數值類型的valarray才是數學意義上的向量,而可以泛型的vector更該叫array——程式語言中的陣列。 |
迭代器
迭代器是泛化的指標,通過使用迭代器,開發者可以運算元據結構而無需關心其內部實現。根據迭代器的操作方式的不同,迭代器分為五種[3]:
- 輸入迭代器
- 輸出迭代器
- 前向迭代器
- 雙向迭代器
- 隨機訪問迭代器
演算法
STL提供了一些常見 的演算法,如排序和搜尋等。這些演算法與資料結構的實現進行了分離。因此,也可對自訂的資料結構使用這些演算法,只需讓這些自訂的資料結構擁有演算法所預期的迭代器。[4]。
函式對象
狹義的函式對象即多載了運算子()的類別的實例,而廣義來講所有可用 x(...) 形式呼叫的 x 都可稱為函式對象、或曰可呼叫對象。[5]。
配接器(Adaptor)
配接器為一個模板類,用於提供介面對映。[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>。參見無序關聯容器_(STL)。
參考文獻
- ^ 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
- ^ # Al Stevens Interviews Alex Stepanov. [2013-10-25]. (原始內容存檔於2009-05-01).
After all, STL stands for Stepanov and Lee...
- ^ Alexander, Stepanov. The Standard Template Library (PDF): 6. 1995 [2013-08-18]. (原始內容存檔 (PDF)於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.
- ^ Alexander, Stepanov. The Standard Template Library (PDF): 41. 1995 [2013-08-18]. (原始內容存檔 (PDF)於2013-05-17).
- ^ Alexander, Stepanov. The Standard Template Library (PDF): 14. 1995 [2013-08-18]. (原始內容存檔 (PDF)於2013-05-17).
- ^ Alexander, Stepanov. The Standard Template Library (PDF): 55. 1995 [2013-08-18]. (原始內容存檔 (PDF)於2013-05-17).
參見
外部連結
- C/C++ reference (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館) includes a section on the STL
- STL programmer's guide (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館) official guide from SGI
- Bjarne Stroustrup on The emergence of the STL (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館) (Page 5, Section 3.1)
- Apache stdcxx (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館) portable Open Source implementation based on Rogue Wave (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館) STL
- STLport (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館) multiplatform STL implementation
- Dinkumware (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館) commercial STL implementation (ships with Visual C++ and several other compilers)
- Rogue Wave STL Class Reference
- MPTL shared-memory parallel extension of the STL using the Native POSIX Thread Library。
- STXXL: (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館) an STL implementation for external memory.
- STLSoft libraries (頁面存檔備份,存於網際網路檔案館):open-source, 100% header-only, C/C++ libraries of technology-specific facades and STL extensions.
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