C++ [STL-简介]-Toy模板网

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本文已收录至《C++语言》专栏！
作者：ARMCSKGT

前言

STL(standard template libaray-标准模板库)：是C++标准库的重要组成部分，不仅是一个可复用的组件库，而且是一个包罗数据结构与算法的软件框架。
C++ [STL-简介]

正文

简介

关于STL

STL(Standard TemplateLibrary)标准模板库，从根本上说，STL是一些数据结构的集合，因为是组织和存放数据简称为容器，这些“容器”有list、vector、set、map等，STL也是算法和其他一些组件的集合。STL的目的是标准化组件，这样就不用重新开发，可以使用现成的组件。

STL包含了诸多在计算机科学领域里常用的基本数据结构和基本算法。为广大C++程序员们提供了一个可扩展的应用框架，高度体现了软件的可复用性。从逻辑层次来看，在STL中体现了泛型化程序设计的思想（generic programming）。在这种思想里，大部分基本算法被抽象，被泛化，独立于与之对应的数据结构，用于以相同或相近的方式处理各种不同情形。

STL作者：亚历山大·斯特潘诺夫(Alexander Stepanov)，STL之父，并因此而荣获第一届Dr. Dobb’s 程序设计杰出奖，现在是Adobe公司首席科学家。他曾是康柏电脑公司的副总裁和首席科学家，AT&T实验室副总裁和首席架构师，SGI服务和超级计算机业务首席技术官。

各种版本

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。 HP 版本–所有STL实现版本的始祖。

P. J. 版本
由P. J. Plauger开发，继承自HP版本，被Windows Visual C++采用，不能公开或修改，缺陷：可读性比较低，符号命名比较怪异。

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。

SGI版本
由Silicon Graphics Computer Systems，Inc公司开发，继承自HP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，阅读性非常高。如果我们想学习STL源码，建议阅读SGI版本。

STL组件

容器

序列式容器
-string字符串
-vector顺序表
-array数组
-list链表
-deque双端队列

关联式容器
-set集合(底层是红黑树)
-map映射(底层是红黑树)

这些容器在实现的基础上通过模板类进行封装，除了string以外，其他容器都支持泛型；关于序列式容器，里面的元素是线性的，而关联式容器里面的元素是有一定关系的，一般为K或KV(key=value)模型。其中一些容器还可以变换成具有其他特性的相同容器，例如wstring宽字符串，multimap多键映射等。

迭代器

iterator普通迭代器

const_iterator常量迭代器

reverse_iterator反向迭代器

const_reverse_iterator常量反向迭代器

我们知道循环可以称为迭代，当我们遍历一个数组时，既可以用 [ ] 和 数组下标 访问，也可以用 数组首地址 和 偏移量 解引用访问，STL为了统一大部分容器的访问方式，定义了迭代器访问，迭代器可以想象成是对指针的封装，我们使用只需要 解引用 然后 ++ 或就能到任何元素然后进行访问或修改，这样使我们学习STL的成本降低了不少，而且后期很多迭代器都支持 范围for 语法糖，而范围for的实现原理就是基于迭代器的！

迭代器扮演容器与算法之间的胶合剂，是所谓的“泛型指针”；所有STL容器都附带有自己专属的迭代器，原生指针(Native pointer)也是一种迭代器。

配接器(适配器)

容器适配器
在STL中，容器适配器有queue队列，stack栈等，这些容器我们在使用C语言时发现其存储结构既可以使用顺序表也可以使用链表，也就是顺序栈，顺序队，链栈和链队列，所以这些容器只需要对某些序列容器进行封装而改变该容器的行为就能实现，且这些容器都具有相同的插入删除例如push_back和pop_back等即可，这样就完成了对象的组合！

迭代器适配器
基于容器适配器的介绍，我们可以对某个容器进行封装，改变该容器的行为就能实现适配器容器，那么对于迭代器来说，如果我们对普通迭代器进行封装，就能实现反向迭代器，因为我们只需要改变普通迭代器的行为就行了。

仿函数适配器
仿函数本身就非常厉害，仿函数适配器则可以无限制的创造出各种可能的表达式，关于仿函数的，我们在后面会结合代码进行介绍。

算法

find查找

swap交换

sort排序

reverse逆置

等…

我们在学习数据结构时，算法是必不可少的，增删查改难免需要算法的优化，对于一些固定常用的算法，库中已经帮我们实现了，我们只需要使用algorithm头文件即可，这些算法对于大部分容器都是适配可用的，因为迭代器是统一的，这是当初设计者的巧妙之处，而对于某些特殊的数据结构其算法会在类中实现封装在一起，这样就实现了算法的高效利用！各种常用算法，如Sort，Search，Copy，Erase，从实现的角度来看，STL算法是一种Function Templates。

仿函数

仿函数的实现是通过类中重载 () 运算符实现的，这样我们可用将对象当作函数使用，仿函数的出现使我们的函数作为参数传参更加方便，在C语言qsort中，比较函数需要自己实现和传参，而在C++中只需要传递仿函数对象即可，这样既好理解也方便使用，在C++的一些比较算法和关联式容器中，就需要函数对象控制比较，例如排序的升序和降序通过less和greater仿函数控制，map的建树比较规则也是通过less和greater控制，所以仿函数的地位是不可比拟的！

空间配置器

我们学习动态内存管理时，通过new可用向堆申请空间，使用完毕后delete释放，但是底层其实是C++语言去调用系统接口申请内存，这样在一般的简单使用场景下没有问题，但是对于频繁申请和释放内存时，效率非常低。于是我们可用预先向系统申请一大块空间进行管理，需要空间时去这一大块空间上取，释放时伪释放，这样就不需要总是通过系统接口申请内存了，我们只需要维护好这一大块空间即可，这样就极大的提高了内存使用效率，而这种技术也称为内存池技术，对于频繁申请和释放内存的场景非常实用；STL引入内存池技术也是为了极致的性能发挥！

STL的重要性

学习STL的意义

STL在日常使用的非常之多，其实现原理和里面的一些算法思想非常值得我们去学习，而且在面试时公司必考。网上有句话说：“不懂STL，不要说你会C++”。STL是C++中的优秀作品，有了它的陪伴，许多底层的数据结构以及算法都不需要自己重新造轮子，站在前人的肩膀上，健步如飞的快速开发。

如何学习STL

学习STL的使用

了解STL的底层实现

熟练使用STL甚至扩充STL

简单总结一下：学习STL的三个境界：能用，明理，能扩展。

STL的缺陷

STL库的更新太慢了。这个得严重吐槽，上一版靠谱是C++98，中间的C++03基本一些修订;C++11出来已经相隔了13年，STL才进一步更新。

STL现在都没有支持线程安全。并发环境下需要我们自己加锁。且锁的粒度是比较大的。

STL极度的追求效率，导致内部比较复杂。比如类型萃取，迭代器萃取。

STL的使用会有代码膨胀的问题，比如使用vector/vector/vector这样会生成多份代码，当然这是模板语法本身导致的。