网站地图
zenghuilan.com
生活小窍门 解释生活中的一切名词
标准模板库 发布于:

标准模板库(Standard Template Library,STL)是惠普实验室开发的一系列软件的统称。它是由Alexander Stepanov、Meng Lee和David R Musser在惠普实验室工作时所开发出来的。虽说它主要表出现到C++中,但在被引入C++之前该技术就已经存在了很长时间。STL的代码从广义上讲分为三类:algorithm(算法)、container(容器)和iterator(迭代器),几乎所有的代码都采用了模板类和模板函数的方式,这相比于传统的由函数和类组成的库来说提供了更好的代码重用机会。

标准模板库是一个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。

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。

在C++标准中,STL被组织为下面的13个头文件:<algorithm>、<deque>、<functional>、<iterator>、<vector>、<list>、<map>、<memory>、<numeric>、<queue>、<set>、<stack>和<utility>。

标准模板库系由Alexander Stepanov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于1971年开始即在计算机几何领域发展并倡导某些泛型程序设计观念,但早期并没有任何编程语言支持泛型程序设计。第一个支持泛型概念的语言是Ada。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年代研究泛型程序设计,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Polytechnic大学教书,继续研究泛型程序设计,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序设计,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公司运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,但不可能要求所有对象皆是继承这些,而且庞大的继承体系将减低虚拟(virtual)函数的运行效率,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Bjarne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);Bjarne则不然,他认为可以通过C++的重载(overloading)功能来表达。

Stepanov想像中的函数模板:

Bjarne认为的函数模板:

几经争辩,Stepanov发现Bjarne是对的(引用侯俊杰《标准模板库讲座·第三章》)。事后Stepanov回想起来非常同意Bjarne的作法。

template 引数推导机制(arguments deduction ,在标准模板库中占非常重要的角色。Alexander Stepanov(标准模板库创造者)在与Dr. Dobb's Journal进行的访谈中说道‘1992 我重回generic-library的开发工作。这时候C++有了template

“我发现Bjarne完成了一个非常美妙的设计。之前我在Bell Lab曾参与数次template的相关设计讨论,并且非常粗暴地要求Bjarne应该将C++ template设计得尽可能像Ada generics那样。我想由于我的争辩是如此地粗暴,他决定反对。我了解到在C++中除了拥有template classes之外还拥有template functions的重要性。然而我认为template function应该像Ada generics一样,也就是说它们应该是显式实例,Bjarne没有听进我的话,他设计了一个template function机制,其中的template是以一个重载化机制 (overloading mechanism来进行隐式实例这项特殊的技术对我的工作具有关键性的影响,因为我发现它使我得以完成Ada不可能完成的许多动作。我非常高兴Bjarne当初没有听我的意见。’(DDJ 1995 年三月号)”

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,与直接通过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泛型程序库项目结束,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),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到史丹佛演讲,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寄封电子邮件给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Waterloo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。

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。

标准模板库包含了序列容器(sequence containers)与关系容器(associative containers)。

序列容器包括vector,list,forward_list,deque和array等。

关联容器包括set,multiset,map,multimap,unordered_set,bitset和valarray等。

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:

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

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,用于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。

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。

适配器(Adaptor)为一个模板类,用于提供接口映射。

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的数据结构实当前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>。


相关文章推荐:
惠普实验室 | 迭代器 | 模板类 | 软件库 | C++标准程序库 | 容器 | 迭代器 | 模板 | C++ | Java | 类库 | 可扩展性 | Alexander Stepanov | 比雅尼·斯特劳斯特鲁普 | C++ | 侯俊杰 | 迭代器 | C++标准程序库 | C++标准程序库 |