三十分钟掌握STL

这是本小人书。原名是《using stl》,不知道是谁写的。不过我倒觉得很有趣,所以化了两个晚上把它翻译出来。我没有对翻译出来的内容校验过。如果你没法在三十分钟内觉得有所收获,那么赶紧扔了它。文中我省略了很多东西。心疼那,浪费我两个晚上。

译者:kary

contact:karymay@163.net

STL概述

STL的一个重要特点是数据结构和算法的分离。尽管这是个简单的概念,但这种分离确实使得STL变得非常通用。例如,由于STL的sort()函数是完全通用的,你可以用它来操作几乎任何数据集合,包括链表,容器和数组。

要点

STL算法作为模板函数提供。为了和其他组件相区别,在本书中STL算法以后接一对圆括弧的方式表示,例如sort()。

STL另一个重要特性是它不是面向对象的。为了具有足够通用性,STL主要依赖于模板而不是封装,继承和虚函数(多态性)——OOP的三个要素。你在STL中找不到任何明显的类继承关系。这好像是一种倒退,但这正好是使得STL的组件具有广泛通用性的底层特征。另外,由于STL是基于模板,内联函数的使用使得生成的代码短小高效。

提示

确保在编译使用了STL的程序中至少要使用-O优化来保证内联扩展。STL提供了大量的模板类和函数,可以在OOP和常规编程中使用。所有的STL的大约50个算法都是完全通用的,而且不依赖于任何特定的数据类型。下面的小节说明了三个基本的STL组件:

1)           迭代器提供了访问容器中对象的方法。例如,可以使用一对迭代器指定list或vector中的一定范围的对象。迭代器就如同一个指针。事实上,C++的指针也是一种迭代器。但是,迭代器也可以是那些定义了operator*()以及其他类似于指针的操作符地方法的类对象。

2)           容器是一种数据结构,如list,vector,和deques ,以模板类的方法提供。为了访问容器中的数据,可以使用由容器类输出的迭代器。

3)           算法是用来操作容器中的数据的模板函数。例如,STL用sort()来对一个vector中的数据进行排序,用find()来搜索一个list中的对象。函数本身与他们操作的数据的结构和类型无关,因此他们可以在从简单数组到高度复杂容器的任何数据结构上使用。

头文件

为了避免和其他头文件冲突, STL的头文件不再使用常规的.h扩展。为了包含标准的string类,迭代器和算法,用下面的指示符:

#include <string>

#include <iterator>

#include <algorithm>

如果你查看STL的头文件,你可以看到象iterator.h和stl_iterator.h这样的头文件。由于这些名字在各种STL实现之间都可能不同,你应该避免使用这些名字来引用这些头文件。为了确保可移植性,使用相应的没有.h后缀的文件名。表1列出了最常使用的各种容器类的头文件。该表并不完整,对于其他头文件,我将在本章和后面的两章中介绍。

表 1. STL头文件和容器类

#include

ContainerClass

<deque>

deque

<list>

list

<map>

map, multimap

<queue>

queue, priority_queue

<set>

set, multiset

<stack>

stack

<vector>

vector, vector<bool>

名字空间

你的编译器可能不能识别名字空间。名字空间就好像一个信封,将标志符封装在另一个名字中。标志符只在名字空间中存在,因而避免了和其他标志符冲突。例如,可能有其他库和程序模块定义了sort()函数,为了避免和STL地sort()算法冲突,STL的sort()以及其他标志符都封装在名字空间std中。STL的sort()算法编译为std::sort(),从而避免了名字冲突。

尽管你的编译器可能没有实现名字空间,你仍然可以使用他们。为了使用STL,可以将下面的指示符插入到你的源代码文件中,典型地是在所有的#include指示符的后面:

using namespace std;

迭代器

迭代器提供对一个容器中的对象的访问方法,并且定义了容器中对象的范围。迭代器就如同一个指针。事实上,C++的指针也是一种迭代器。但是,迭代器不仅仅是指针,因此你不能认为他们一定具有地址值。例如,一个数组索引,也可以认为是一种迭代器。

迭代器有各种不同的创建方法。程序可能把迭代器作为一个变量创建。一个STL容器类可能为了使用一个特定类型的数据而创建一个迭代器。作为指针,必须能够使用*操作符类获取数据。你还可以使用其他数学操作符如++。典型的,++操作符用来递增迭代器,以访问容器中的下一个对象。如果迭代器到达了容器中的最后一个元素的后面,则迭代器变成past-the-end值。使用一个past-the-end值得指针来访问对象是非法的,就好像使用NULL或为初始化的指针一样。

提示

STL不保证可以从另一个迭代器来抵达一个迭代器。例如,当对一个集合中的对象排序时,如果你在不同的结构中指定了两个迭代器,第二个迭代器无法从第一个迭代器抵达,此时程序注定要失败。这是STL灵活性的一个代价。STL不保证检测毫无道理的错误。

迭代器的类型

对于STL数据结构和算法,你可以使用五种迭代器。下面简要说明了这五种类型:

  • Input iterators 提供对数据的只读访问。
  • Output iterators 提供对数据的只写访问
  • Forward iterators 提供读写操作,并能向前推进迭代器。
  • Bidirectional iterators提供读写操作,并能向前和向后操作。
  • Random access iterators提供读写操作,并能在数据中随机移动。

尽管各种不同的STL实现细节方面有所不同,还是可以将上面的迭代器想象为一种类继承关系。从这个意义上说,下面的迭代器继承自上面的迭代器。由于这种继承关系,你可以将一个Forward迭代器作为一个output或input迭代器使用。同样,如果一个算法要求是一个bidirectional 迭代器,那么只能使用该种类型和随机访问迭代器。

指针迭代器

正如下面的小程序显示的,一个指针也是一种迭代器。该程序同样显示了STL的一个主要特性——它不只是能够用于它自己的类类型,而且也能用于任何C或C++类型。iterdemo.cpp, 显示了如何把指针作为迭代器用于STL的find()算法来搜索普通的数组。

表 1. iterdemo.cpp

 1 #include <iostream.h>
 2 #include <algorithm>
 3  
 4 using namespace std;
 5  
 6 #define SIZE 100
 7 int iarray[SIZE];
 8  
 9 int main()
10 {
11   iarray[20] = 50;
12   int* ip = find(iarray, iarray + SIZE, 50);
13   if (ip == iarray + SIZE)
14     cout << "50 not found in array" << endl;
15   else
16     cout << *ip << " found in array" << endl;
17   return 0;
18 }

在引用了I/O流库和STL算法头文件(注意没有.h后缀),该程序告诉编译器使用std名字空间。使用std名字空间的这行是可选的,因为可以删除该行对于这么一个小程序来说不会导致名字冲突。

程序中定义了尺寸为SIZE的全局数组。由于是全局变量,所以运行时数组自动初始化为零。下面的语句将在索引20位置处地元素设置为50,并使用find()算法来搜索值50:

iarray[20] = 50;
int* ip = find(iarray, iarray + SIZE, 50);

find()函数接受三个参数。头两个定义了搜索的范围。由于C和C++数组等同于指针,表达式iarray指向数组的第一个元素。而第二个参数iarray + SIZE等同于past-the-end 值,也就是数组中最后一个元素的后面位置。第三个参数是待定位的值,也就是50。find()函数返回和前两个参数相同类型的迭代器,这儿是一个指向整数的指针ip。

提示

必须记住STL使用模板。因此,STL函数自动根据它们使用的数据类型来构造。

为了判断find()是否成功,例子中测试ip和 past-the-end 值是否相等:

if (ip == iarray + SIZE) ...

如果表达式为真,则表示在搜索的范围内没有指定的值。否则就是指向一个合法对象的指针,这时可以用下面的语句显示::

cout << *ip << " found in array" << endl;

测试函数返回值和NULL是否相等是不正确的。不要象下面这样使用:

int* ip = find(iarray, iarray + SIZE, 50);
if (ip != NULL) ...  // ??? incorrect

当使用STL函数时,只能测试ip是否和past-the-end 值是否相等。尽管在本例中ip是一个C++指针,其用法也必须符合STL迭代器的规则。

容器迭代器

尽管C++指针也是迭代器,但用的更多的是容器迭代器。容器迭代器用法和iterdemo.cpp一样,但和将迭代器申明为指针变量不同的是,你可以使用容器类方法来获取迭代器对象。两个典型的容器类方法是begin()和end()。它们在大多数容器中表示整个容器范围。其他一些容器还使用rbegin()和rend()方法提供反向迭代器,以按反向顺序指定对象范围。

下面的程序创建了一个矢量容器(STL的和数组等价的对象),并使用迭代器在其中搜索。该程序和前一章中的程序相同。

Listing 2. vectdemo.cpp

 1 #include <iostream.h>
 2 #include <algorithm>
 3 #include <vector>
 4  
 5 using namespace std;
 6  
 7 vector<int> intVector(100);
 8  
 9 void main()
10 {
11   intVector[20] = 50;
12   vector<int>::iterator intIter =
13     find(intVector.begin(), intVector.end(), 50);
14   if (intIter != intVector.end())
15     cout << "Vector contains value " << *intIter << endl;
16   else
17     cout << "Vector does not contain 50" << endl;
18 }

注意用下面的方法显示搜索到的数据:

cout << "Vector contains value " << *intIter << endl;

常量迭代器

和指针一样,你可以给一个迭代器赋值。例如,首先申明一个迭代器:

vector<int>::iterator first;

该语句创建了一个vector<int>类的迭代器。下面的语句将该迭代器设置到intVector的第一个对象,并将它指向的对象值设置为123::

first = intVector.begin();
*first = 123;

这种赋值对于大多数容器类都是允许的,除了只读变量。为了防止错误赋值,可以申明迭代器为:

1 const vector<int>::iterator result;
2 result = find(intVector.begin(), intVector.end(), value);
3 if (result != intVector.end())
4   *result = 123;  // ???

警告

另一种防止数据被改变得方法是将容器申明为const类型。

『呀!在VC中测试出错,正确的含义是result成为常量而不是它指向的对象不允许改变,如同int *const p;看来这作者自己也不懂』

使用迭代器编程

你已经见到了迭代器的一些例子,现在我们将关注每种特定的迭代器如何使用。由于使用迭代器需要关于STL容器类和算法的知识,在阅读了后面的两章后你可能需要重新复习一下本章内容。

输入迭代器

输入迭代器是最普通的类型。输入迭代器至少能够使用==和!=测试是否相等;使用*来访问数据;使用++操作来递推迭代器到下一个元素或到达past-the-end 值。

为了理解迭代器和STL函数是如何使用它们的,现在来看一下find()模板函数的定义:

1 template <class InputIterator, class T>
2 InputIterator find(
3   InputIterator first, InputIterator last, const T& value) {
4     while (first != last && *first != value) ++first;
5     return first;
6   }

注意

在find()算法中,注意如果first和last指向不同的容器,该算法可能陷入死循环。

输出迭代器

输出迭代器缺省只写,通常用于将数据从一个位置拷贝到另一个位置。由于输出迭代器无法读取对象,因此你不会在任何搜索和其他算法中使用它。要想读取一个拷贝的值,必须使用另一个输入迭代器(或它的继承迭代器)。

Listing 3. outiter.cpp

 1 #include <iostream.h>
 2 #include <algorithm>   // Need copy()
 3 #include <vector>      // Need vector
 4  
 5 using namespace std;
 6  
 7 double darray[10] =
 8   {1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9};
 9  
10 vector<double> vdouble(10);
11  
12 int main()
13 {
14   vector<double>::iterator outputIterator = vdouble.begin();
15   copy(darray, darray + 10, outputIterator);
16   while (outputIterator != vdouble.end()) {
17     cout << *outputIterator << endl;
18     outputIterator++;
19   }
20   return 0;
21 }

注意

当使用copy()算法的时候,你必须确保目标容器有足够大的空间,或者容器本身是自动扩展的。

前推迭代器

前推迭代器能够读写数据值,并能够向前推进到下一个值。但是没法递减。replace()算法显示了前推迭代器的使用方法。

1 template <class ForwardIterator, class T>
2 void replace (ForwardIterator first,
3               ForwardIterator last,
4               const T& old_value,
5               const T& new_value);

使用replace()将[first,last]范围内的所有值为old_value的对象替换为new_value。:

replace(vdouble.begin(), vdouble.end(), 1.5, 3.14159);

双向迭代器

双向迭代器要求能够增减。如reverse()算法要求两个双向迭代器作为参数:

1 template <class BidirectionalIterator>
2 void reverse (BidirectionalIterator first,
3               BidirectionalIterator last);

使用reverse()函数来对容器进行逆向排序:

reverse(vdouble.begin(), vdouble.end());

随机访问迭代器

随机访问迭代器能够以任意顺序访问数据,并能用于读写数据(不是const的C++指针也是随机访问迭代器)。STL的排序和搜索函数使用随机访问迭代器。随机访问迭代器可以使用关系操作符作比较。

random_shuffle() 函数随机打乱原先的顺序。申明为:

1 template <class RandomAccessIterator>
2 void random_shuffle (RandomAccessIterator first,
3                      RandomAccessIterator last);

使用方法:

random_shuffle(vdouble.begin(), vdouble.end());

迭代器技术

要学会使用迭代器和容器以及算法,需要学习下面的新技术。

流和迭代器

本书的很多例子程序使用I/O流语句来读写数据。例如:

1 int value;
2 cout << "Enter value: ";
3 cin >> value;
4 cout << "You entered " << value << endl;

对于迭代器,有另一种方法使用流和标准函数。理解的要点是将输入/输出流作为容器看待。因此,任何接受迭代器参数的算法都可以和流一起工作。

Listing 4. outstrm.cpp

 1 #include <iostream.h>
 2 #include <stdlib.h>    // Need random(), srandom()
 3 #include <time.h>      // Need time()
 4 #include <algorithm>   // Need sort(), copy()
 5 #include <vector>      // Need vector
 6  
 7 using namespace std;
 8  
 9 void Display(vector<int>& v, const char* s);
10  
11 int main()
12 {
13   // Seed the random number generator
14   srandom( time(NULL) );
15  
16   // Construct vector and fill with random integer values
17   vector<int> collection(10);
18   for (int i = 0; i < 10; i++)
19     collection[i] = random() % 10000;;
20  
21   // Display, sort, and redisplay
22   Display(collection, "Before sorting");
23   sort(collection.begin(), collection.end());
24   Display(collection, "After sorting");
25   return 0;
26 }
27  
28 // Display label s and contents of integer vector v
29 void Display(vector<int>& v, const char* s)
30 {
31   cout << endl << s << endl;
32   copy(v.begin(), v.end(),
33     ostream_iterator<int>(cout, "\t"));
34   cout << endl;
35 }

函数Display()显示了如何使用一个输出流迭代器。下面的语句将容器中的值传输到cout输出流对象中:

copy(v.begin(), v.end(),
  ostream_iterator<int>(cout, "\t"));

第三个参数实例化了ostream_iterator<int>类型,并将它作为copy()函数的输出目标迭代器对象。“\t”字符串是作为分隔符。运行结果:

$ g++ outstrm.cpp
$ ./a.out
Before sorting
677   722   686   238   964   397   251   118   11    312
After sorting
11    118   238   251   312   397   677   686   722   964

这是STL神奇的一面『确实神奇』。为定义输出流迭代器,STL提供了模板类ostream_iterator。这个类的构造函数有两个参数:一个ostream对象和一个string值。因此可以象下面一样简单地创建一个迭代器对象:

ostream_iterator<int>(cout, "\n")

该迭代起可以和任何接受一个输出迭代器的函数一起使用。

插入迭代器

插入迭代器用于将值插入到容器中。它们也叫做适配器,因为它们将容器适配或转化为一个迭代器,并用于copy()这样的算法中。例如,一个程序定义了一个链表和一个矢量容器:

list<double> dList;
vector<double> dVector;

通过使用front_inserter迭代器对象,可以只用单个copy()语句就完成将矢量中的对象插入到链表前端的操作:

copy(dVector.begin(), dVector.end(), front_inserter(dList));

三种插入迭代器如下:

  • 普通插入器 将对象插入到容器任何对象的前面。
  • Front inserters 将对象插入到数据集的前面——例如,链表表头。
  • Back inserters 将对象插入到集合的尾部——例如,矢量的尾部,导致矢量容器扩展。

使用插入迭代器可能导致容器中的其他对象移动位置,因而使得现存的迭代器非法。例如,将一个对象插入到矢量容器将导致其他值移动位置以腾出空间。一般来说,插入到象链表这样的结构中更为有效,因为它们不会导致其他对象移动。

Listing 5. insert.cpp

 1 #include <iostream.h>
 2 #include <algorithm>
 3 #include <list>
 4  
 5 using namespace std;
 6  
 7 int iArray[5] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
 8  
 9 void Display(list<int>& v, const char* s);
10  
11 int main()
12 {
13   list<int> iList;
14  
15   // Copy iArray backwards into iList
16   copy(iArray, iArray + 5, front_inserter(iList));
17   Display(iList, "Before find and copy");
18  
19   // Locate value 3 in iList
20   list<int>::iterator p =
21     find(iList.begin(), iList.end(), 3);
22  
23   // Copy first two iArray values to iList ahead of p
24   copy(iArray, iArray + 2, inserter(iList, p));
25   Display(iList, "After find and copy");
26  
27   return 0;
28 }
29  
30 void Display(list<int>& a, const char* s)
31 {
32   cout << s << endl;
33   copy(a.begin(), a.end(),
34     ostream_iterator<int>(cout, " "));
35   cout << endl;
36 }
37 运行结果如下:
38 
39 $ g++ insert.cpp
40 $ ./a.out
41 Before find and copy
42 5 4 3 2 1
43 After find and copy
44 5 4 1 2 3 2 1

可以将front_inserter替换为back_inserter试试。

如果用find()去查找在列表中不存在的值,例如99。由于这时将p设置为past-the-end 值。最后的copy()函数将iArray的值附加到链表的后部。

混合迭代器函数

在涉及到容器和算法的操作中,还有两个迭代器函数非常有用:

·        advance() 按指定的数目增减迭代器。

·        distance() 返回到达一个迭代器所需(递增)操作的数目。

例如:

 1 list<int> iList;
 2 list<int>::iterator p =
 3   find(iList.begin(), iList.end(), 2);
 4 cout << "before: p == " << *p << endl;
 5 advance(p, 2);  // same as p = p + 2;
 6 cout << "after : p == " << *p << endl;
 7  
 8 int k = 0;
 9 distance(p, iList.end(), k);
10 cout << "k == " << k << endl;

advance()函数接受两个参数。第二个参数是向前推进的数目。对于前推迭代器,该值必须为正,而对于双向迭代器和随机访问迭代器,该值可以为负。

使用 distance()函数来返回到达另一个迭代器所需要的步骤。

注意

distance()函数是迭代的,也就是说,它递增第三个参数。因此,你必须初始化该参数。未初始化该参数几乎注定要失败。

函数和函数对象

STL中,函数被称为算法,也就是说它们和标准C库函数相比,它们更为通用。STL算法通过重载operator()函数实现为模板类或模板函数。这些类用于创建函数对象,对容器中的数据进行各种各样的操作。下面的几节解释如何使用函数和函数对象。

函数和断言

经常需要对容器中的数据进行用户自定义的操作。例如,你可能希望遍历一个容器中所有对象的STL算法能够回调自己的函数。例如

 1 #include <iostream.h>
 2 #include <stdlib.h>     // Need random(), srandom()
 3 #include <time.h>       // Need time()
 4 #include <vector>       // Need vector
 5 #include <algorithm>    // Need for_each()
 6  
 7 #define VSIZE 24        // Size of vector
 8 vector<long> v(VSIZE);  // Vector object
 9  
10 // Function prototypes
11 void initialize(long &ri);
12 void show(const long &ri);
13 bool isMinus(const long &ri);  // Predicate function
14  
15 int main()
16 {
17   srandom( time(NULL) );  // Seed random generator
18  
19   for_each(v.begin(), v.end(), initialize);//调用普通函数
20   cout << "Vector of signed long integers" << endl;
21   for_each(v.begin(), v.end(), show);
22   cout << endl;
23  
24   // Use predicate function to count negative values
25   //
26   int count = 0;
27   vector<long>::iterator p;
28   p = find_if(v.begin(), v.end(), isMinus);//调用断言函数
29   while (p != v.end()) {
30     count++;
31     p = find_if(p + 1, v.end(), isMinus);
32   }
33   cout << "Number of values: " << VSIZE << endl;
34   cout << "Negative values : " << count << endl;
35  
36   return 0;
37 }
38  
39 // Set ri to a signed integer value
40 void initialize(long &ri)
41 {
42   ri = ( random() - (RAND_MAX / 2) );
43   //  ri = random();
44 }
45  
46 // Display value of ri
47 void show(const long &ri)
48 {
49   cout << ri << "  ";
50 }
51  
52 // Returns true if ri is less than 0
53 bool isMinus(const long &ri)
54 {
55   return (ri < 0);
56 }
57  

所谓断言函数,就是返回bool值的函数。

函数对象

除了给STL算法传递一个回调函数,你还可能需要传递一个类对象以便执行更复杂的操作。这样的一个对象就叫做函数对象。实际上函数对象就是一个类,但它和回调函数一样可以被回调。例如,在函数对象每次被for_each()或find_if()函数调用时可以保留统计信息。函数对象是通过重载operator()()实现的。如果TanyClass定义了opeator()(),那么就可以这么使用:

1 TAnyClass object;  // Construct object
2 object();          // Calls TAnyClass::operator()() function
3 for_each(v.begin(), v.end(), object);

STL定义了几个函数对象。由于它们是模板,所以能够用于任何类型,包括C/C++固有的数据类型,如long。有些函数对象从名字中就可以看出它的用途,如plus()和multiplies()。类似的greater()和less-equal()用于比较两个值。

注意

有些版本的ANSI C++定义了times()函数对象,而GNU C++把它命名为multiplies()。使用时必须包含头文件<functional>。

一个有用的函数对象的应用是accumulate() 算法。该函数计算容器中所有值的总和。记住这样的值不一定是简单的类型,通过重载operator+(),也可以是类对象。

Listing 8. accum.cpp

 1 #include <iostream.h>
 2 #include <numeric>      // Need accumulate()
 3 #include <vector>       // Need vector
 4 #include <functional>   // Need multiplies() (or times())
 5  
 6 #define MAX 10
 7 vector<long> v(MAX);    // Vector object
 8  
 9 int main()
10 {
11   // Fill vector using conventional loop
12   //
13   for (int i = 0; i < MAX; i++)
14     v[i] = i + 1;
15  
16   // Accumulate the sum of contained values
17   //
18   long sum =
19     accumulate(v.begin(), v.end(), 0);
20   cout << "Sum of values == " << sum << endl;
21  
22   // Accumulate the product of contained values
23   //
24   long product =
25     accumulate(v.begin(), v.end(), 1, multiplies<long>());//注意这行
26   cout << "Product of values == " << product << endl;
27  
28   return 0;
29 }
30 编译输出如下:
31 
32 $ g++ accum.cpp
33 $ ./a.out
34 Sum of values == 55
35 Product of values == 3628800

『注意使用了函数对象的accumulate()的用法。accumulate() 在内部将每个容器中的对象和第三个参数作为multiplies函数对象的参数,multiplies(1,v)计算乘积。VC中的这些模板的源代码如下:

 1         // TEMPLATE FUNCTION accumulate
 2 
 3 template<class _II, class _Ty> inline
 4 
 5     _Ty accumulate(_II _F, _II _L, _Ty _V)
 6 
 7     {for (; _F != _L; ++_F)
 8 
 9         _V = _V + *_F;
10 
11     return (_V); }
12 
13         // TEMPLATE FUNCTION accumulate WITH BINOP
14 
15 template<class _II, class _Ty, class _Bop> inline
16 
17     _Ty accumulate(_II _F, _II _L, _Ty _V, _Bop _B)
18 
19     {for (; _F != _L; ++_F)
20 
21         _V = _B(_V, *_F);
22 
23     return (_V); }
24 
25         // TEMPLATE STRUCT binary_function
26 
27 template<class _A1, class _A2, class _R>
28 
29     struct binary_function {
30 
31     typedef _A1 first_argument_type;
32 
33     typedef _A2 second_argument_type;
34 
35     typedef _R result_type;
36 
37     };
38 
39         // TEMPLATE STRUCT multiplies
40 
41 template<class _Ty>
42 
43     struct multiplies : binary_function<_Ty, _Ty, _Ty> {
44 
45     _Ty operator()(const _Ty& _X, const _Ty& _Y) const
46 
47         {return (_X * _Y); }
48 
49     };

引言:如果你想深入了解STL到底是怎么实现的,最好的办法是写个简单的程序,将程序中涉及到的模板源码给copy下来,稍作整理,就能看懂了。所以没有必要去买什么《STL源码剖析》之类的书籍,那些书可能反而浪费时间。』

发生器函数对象

有一类有用的函数对象是“发生器”(generator)。这类函数有自己的内存,也就是说它能够从先前的调用中记住一个值。例如随机数发生器函数。

普通的C程序员使用静态或全局变量 “记忆”上次调用的结果。但这样做的缺点是该函数无法和它的数据相分离『还有个缺点是要用TLS才能线程安全』。显然,使用类来封装一块:“内存”更安全可靠。先看一下例子:

Listing 9. randfunc.cpp

 1 #include <iostream.h>
 2 #include <stdlib.h>    // Need random(), srandom()
 3 #include <time.h>      // Need time()
 4 #include <algorithm>   // Need random_shuffle()
 5 #include <vector>      // Need vector
 6 #include <functional>  // Need ptr_fun()
 7  
 8 using namespace std;
 9  
10 // Data to randomize
11 int iarray[10] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
12 vector<int> v(iarray, iarray + 10);
13  
14 // Function prototypes
15 void Display(vector<int>& vr, const char *s);
16 unsigned int RandInt(const unsigned int n);
17  
18 int main()
19 {
20   srandom( time(NULL) );  // Seed random generator
21   Display(v, "Before shuffle:");
22  
23   pointer_to_unary_function<unsigned int, unsigned int>
24     ptr_RandInt = ptr_fun(RandInt);  // Pointer to RandInt()//注意这行
25   random_shuffle(v.begin(), v.end(), ptr_RandInt);
26  
27   Display(v, "After shuffle:");
28   return 0;
29 }
30  
31 // Display contents of vector vr
32 void Display(vector<int>& vr, const char *s)
33 {
34   cout << endl << s << endl;
35   copy(vr.begin(), vr.end(), ostream_iterator<int>(cout, " "));
36   cout << endl;
37 }
38  
39  
40 // Return next random value in sequence modulo n
41 unsigned int RandInt(const unsigned int n)
42 {
43   return random() % n;
44 }
45 编译运行结果如下:
46 
47 $ g++ randfunc.cpp
48 $ ./a.out
49 Before shuffle:
50 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
51 After shuffle:
52 6 7 2 8 3 5 10 1 9 4
53 首先用下面的语句申明一个对象:
54 
55 pointer_to_unary_function<unsigned int, unsigned int>
56   ptr_RandInt = ptr_fun(RandInt);

这儿使用STL的单目函数模板定义了一个变量ptr_RandInt,并将地址初始化到我们的函数RandInt()。单目函数接受一个参数,并返回一个值。现在random_shuffle()可以如下调用:

random_shuffle(v.begin(), v.end(), ptr_RandInt);
在本例子中,发生器只是简单的调用rand()函数。

关于常量引用的一点小麻烦(不翻译了,VC下将例子中的const去掉)

发生器函数类对象

下面的例子说明发生器函数类对象的使用。

Listing 10. fiborand.cpp

 1 #include <iostream.h>
 2 #include <algorithm>   // Need random_shuffle()
 3 #include <vector>      // Need vector
 4 #include <functional>  // Need unary_function
 5  
 6 using namespace std;
 7  
 8 // Data to randomize
 9 int iarray[10] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
10 vector<int> v(iarray, iarray + 10);
11  
12 // Function prototype
13 void Display(vector<int>& vr, const char *s);
14  
15 // The FiboRand template function-object class
16 template <class Arg>
17 class FiboRand : public unary_function<Arg, Arg> {
18   int i, j;
19   Arg sequence[18];
20 public:
21   FiboRand();
22   Arg operator()(const Arg& arg);
23 };
24  
25 void main()
26 {
27   FiboRand<int> fibogen;  // Construct generator object
28   cout << "Fibonacci random number generator" << endl;
29   cout << "using random_shuffle and a function object" << endl;
30   Display(v, "Before shuffle:");
31   random_shuffle(v.begin(), v.end(), fibogen);
32   Display(v, "After shuffle:");
33 }
34  
35 // Display contents of vector vr
36 void Display(vector<int>& vr, const char *s)
37 {
38   cout << endl << s << endl;
39   copy(vr.begin(), vr.end(),
40     ostream_iterator<int>(cout, " "));
41   cout << endl;
42 }
43  
44 // FiboRand class constructor
45 template<class Arg>
46 FiboRand<Arg>::FiboRand()
47 {
48   sequence[17] = 1;
49   sequence[16] = 2;
50   for (int n = 15; n > 0; n—)
51     sequence[n] = sequence[n + 1] + sequence[n + 2];
52   i = 17;
53   j = 5;
54 }
55  
56 // FiboRand class function operator
57 template<class Arg>
58 Arg FiboRand<Arg>::operator()(const Arg& arg)
59 {
60   Arg k = sequence[i] + sequence[j];
61   sequence[i] = k;
62   i--;
63   j--;
64   if (i == 0) i = 17;
65   if (j == 0) j = 17;
66   return k % arg;
67 }
68 编译运行输出如下:
69 
70 $ g++ fiborand.cpp
71 $ ./a.out
72 Fibonacci random number generator
73 using random_shuffle and a function object
74 Before shuffle:
75 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
76 After shuffle:
77 6 8 5 4 3 7 10 1 9

该程序用完全不通的方法使用使用rand_shuffle。Fibonacci 发生器封装在一个类中,该类能从先前的“使用”中记忆运行结果。在本例中,类FiboRand 维护了一个数组和两个索引变量I和j。

FiboRand类继承自unary_function() 模板:

template <class Arg>
class FiboRand : public unary_function<Arg, Arg> {...

Arg是用户自定义数据类型。该类还定以了两个成员函数,一个是构造函数,另一个是operator()()函数,该操作符允许random_shuffle()算法象一个函数一样“调用”一个FiboRand对象。

绑定器函数对象

一个绑定器使用另一个函数对象f()和参数值V创建一个函数对象。被绑定函数对象必须为双目函数,也就是说有两个参数,A和B。STL 中的帮定器有:

  • bind1st() 创建一个函数对象,该函数对象将值V作为第一个参数A。
  • bind2nd()创建一个函数对象,该函数对象将值V作为第二个参数B。

举例如下:

Listing 11. binder.cpp

 1 #include <iostream.h>
 2 #include <algorithm>
 3 #include <functional>
 4 #include <list>
 5  
 6 using namespace std;
 7  
 8 // Data
 9 int iarray[10] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
10 list<int> aList(iarray, iarray + 10);
11  
12 int main()
13 {
14   int k = 0;
15   count_if(aList.begin(), aList.end(),
16     bind1st(greater<int>(), 8), k);
17   cout << "Number elements < 8 == " << k << endl;
18   return 0;
19 }

Algorithm count_if()计算满足特定条件的元素的数目。 这是通过将一个函数对象和一个参数捆绑到为一个对象,并将该对象作为算法的第三个参数实现的。 注意这个表达式:

bind1st(greater<int>(), 8)

该表达式将greater<int>()和一个参数值8捆绑为一个函数对象。由于使用了bind1st(),所以该函数相当于计算下述表达式:

8 > q

表达式中的q是容器中的对象。因此,完整的表达式

count_if(aList.begin(), aList.end(),
  bind1st(greater<int>(), 8), k);

计算所有小于或等于8的对象的数目。

否定函数对象

所谓否定(negator)函数对象,就是它从另一个函数对象创建而来,如果原先的函数返回真,则否定函数对象返回假。有两个否定函数对象:not1()和not2()。not1()接受单目函数对象,not2()接受双目函数对象。否定函数对象通常和帮定器一起使用。例如,上节中用bind1nd来搜索q<=8的值:

  count_if(aList.begin(), aList.end(),
    bind1st(greater<int>(), 8), k);

如果要搜索q>8的对象,则用bind2st。而现在可以这样写:

start = find_if(aList.begin(), aList.end(),

  not1(bind1nd(greater<int>(), 6)));

你必须使用not1,因为bind1nd返回单目函数。

总结:使用标准模板库 (STL)

尽管很多程序员仍然在使用标准C函数,但是这就好像骑着毛驴寻找Mercedes一样。你当然最终也会到达目标,但是你浪费了很多时间。

尽管有时候使用标准C函数确实方便(如使用sprintf()进行格式化输出)。但是C函数不使用异常机制来报告错误,也不适合处理新的数据类型。而且标准C函数经常使用内存分配技术,没有经验的程序员很容易写出bug来。.

C++标准库则提供了更为安全,更为灵活的数据集处理方式。STL最初由HP实验室的Alexander Stepanov和Meng Lee开发。最近,C++标准委员会采纳了STL,尽管在不同的实现之间仍有细节差别。

STL的最主要的两个特点:数据结构和算法的分离,非面向对象本质。访问对象是通过象指针一样的迭代器实现的;容器是象链表,矢量之类的数据结构,并按模板方式提供;算法是函数模板,用于操作容器中的数据。由于STL以模板为基础,所以能用于任何数据类型和结构。

转自 http://net.pku.edu.cn/~yhf/UsingSTL.htm

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