【c++】STL简介

简介: 本文介绍了C++标准模板库(STL)的基本概念、组成部分及学习方法,强调了STL在提高编程效率和代码复用性方面的重要性。文章详细解析了STL的六大组件:容器、算法、迭代器、仿函数、配接器和空间配置器,并提出了学习STL的三个层次,旨在帮助读者深入理解和掌握STL。

前言

       当我们学习完C++的基础语法知识以及类和对象、模板等知识之后,就可以正式进入STL的学习了。本篇文章,博主将系统地介绍STL的相关概念以及学习方法,提升大家对STL的认识,帮助大家更好地踏入STL的大门。



一、什么是STL

       STL(Standard Template Library,标准模板库),是c++标准库的一个重要组成部分,它提供了一系列通用的类模板和函数,是一个包罗数据结构和算法的软件框架。STL在c++中极其重要,它的出现弥补了c++开发效率的不足,大大提高了程序的可复用性。



二、STL的版本

1. 原始版本


Alexander Stepanov、Meng Lee 在惠普实验室完成的原始版本,本着开源精神,他们声明允许任何人任意运用、拷贝、修改、传播、商业使用这些代码,无需付费。唯一的条件就是也需要向原始版本一样做开源使用。原始版本所有STL实现版本的始祖。


2. P.J.版本


由P. J. Plauger开发,是由原始版本继承而来,被Windows Visual C++所采用,它不能公开或修改,缺陷是:可读性比较低,符号命名比较怪异。


3. RW版本


由Rouge Wage公司开发,继承自HP版本,被C+ + Builder 采用,不能公开或修改,可读性一般。


4. SGI版本


由Silicon Graphics Computer Systems,Inc公司开发,继承自原始版本。被GCC(Linux)采用,可移植性好,可公开、修改甚至贩卖,从命名风格和编程风格上看,可读性非常高。


目前最被广泛应用的版本是微软参与研发维护的P.J.版本和被Linux采用的SGI版本。后续我们深入学习STL时,博主主要参考SGI版本的源代码进行讲解。


三、STL的组成

       STL通常被分为六大部分:容器、算法、迭代器、仿函数、配接器和空间配置器



容器:STL最重要的部分之一,提供了各种不同类型的数据结构,用于存放数据。容器可以分为序列式容器和关联式容器两大类。序列式容器如vector、deque、list等,强调元素的顺序存储;关联式容器如set、map、multiset、multimap等,基于二叉树结构,强调元素的排序和唯一性。


算法:对容器进行操作的函数模板集合,包括排序、查找、合并、替换等常用算法。算法分为质变算法和非质变算法,质变算法会更改区间内的元素内容,如拷贝、替换、删除等;非质变算法则不会更改元素内容,如查找、计数、遍历等。


迭代器:STL中的一个核心概念,用于连接容器和算法。迭代器提供了一种方法,使之能够依序访问某个容器所含的各个元素,而又无需暴露该容器的内部表示方式。每种容器都有自己专属的迭代器,迭代器的种类包括输出迭代器、前向迭代器、双向迭代器和随机访问迭代器等。


仿函数:是一种特殊的类,但是它的功能却像一个函数。仿函数不仅可以像普通函数那样传递参数和返回值,还可以保存状态,这使得它在处理需要保持状态的复杂算法时非常有用。


配接器:分为函数配接器、容器配接器、迭代器配接器,可以将一个类的接口转换为另一个类的接口,使得原本因接口不兼容而不能合作的类可以一起运作。有了配接器,我们就可以轻松地实现复杂的算法和数据结构,而无需从头开始编写代码。


空间配置器:STL源码中实现的一个小工具,用来应对STL容器频繁申请小块内存空间的问题。它类似于一个小型的内存池,通过优化内存的申请和释放过程,提高了STL容器在空间申请方面的效率。


注意:STL中的所有内容都定义在命名空间std当中。


四、STL的高级特性

       除了基本的组成部分外,STL还提供了一些高级特性,如数值算法、本地化和多线程支持等。


数值算法:STL数值算法是一组用于数值计算和处理的算法,包括数值操作、数值统计、数值转换等功能。这些算法定义在<numeric>头文件中,如accumulate(计算序列和)、inner_product(计算点积)、partial_sum(计算部分和)等。


本地化:STL本地化是指将STL库中的一些函数和类适应不同的语言和文化环境,以便更好地适应不同地区的用户需求。比如日期和时间格式、字符编码、数字格式以及货币和货币符号的本地化处理。


多线程支持:STL本身在C++标准库中并不能直接保证全面的多线程安全。这意味着在默认情况下,STL中的容器和算法在多线程环境中使用时,如果不加适当的同步机制,可能会引发数据竞争和竞态条件,从而导致未定义行为。因此,从C++11开始,标准库引入了一些并发支持的特性,这些特性可以在一定程度上帮助我们在多线程环境中安全地使用STL。


五、如何学好STL

       STL在各种算法竞赛以及开发过程当中为我们提供了巨大的便利,是编写c++程序必不可少的工具之一。但是作为c++的核心知识,STL的学习道路肯定是蜿蜒曲折的。那么该如何高效地学习STL呢?


       STL的学习分为三种境界


第一境界:熟练运用STL


       要深入理解STL的各个部分,并且付诸大量的实践练习,可以从简单的程序开始,然后逐步增加难度,以至于运用到算法题当中,增加熟练度。注意:对STL组件的理解一定不能局限于书面知识的掌握,而要付诸于实践当中(多敲代码)


STL各种组件功能查阅:https://legacy.cplusplus.com/


第二境界:理解STL的底层实现


       通过阅读STL的源码,深入理解其实现细节和设计思想,并且尝试自实现其各种功能。


第三境界:扩充STL


       在前两种境界的基础之上,根据自己的需求,对原有组件的功能进行扩充和改进。


为了帮助大家深入学习STL,博主在这里推荐一本参考书籍:侯捷老师的《STL源码剖析》(华中科技大学出版社)



总结

       本篇文章博主和大家分享了STL的概念、组成和重要性,以及如何学好STL。之后博主会给大家介绍STL当中的主要容器并且尝试实现它们。如果你觉得博主讲的还不错,就请留下一个小小的赞在走哦,感谢大家的支持❤❤❤

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