关于C++的STL认知

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STL简介

STL（Standard Template Library），即标准模板库，是一个具有工业强度的，高效的C++程序库。它被容纳于C++标准程序库（C++ Standard Library）中，是ANSI/ISO C++标准中革命性的一部分。该库包含了诸多在计算机科学领域里所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。

STL它是由Alexander Stepanov、Meng Lee和David R Musser在1992年惠普实验室工作时所开发出来的。现在虽说它主要出现在C++中，但在被引入C++之前该技术就已经存在了很长的一段时间。

STL的版本很多，常见的有HP STL、PJ STL、 SGI STL等版本，主要流行的是SGI STL的版本。但它们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版函数的方式，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。

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>。

算法

大家都能取得的一个共识是函数库对数据类型的选择对其可重用性起着至关重要的作用。举例来说，一个求方根的函数，在使用浮点数作为其参数类型的情况下的可重用性肯定比使用整型作为它的参数类性要高。而C++通过模板的机制允许推迟对某些类型的选择，直到真正想使用模板或者说对模板进行特化的时候，STL就利用了这一点提供了相当多的有用算法。它是在一个有效的框架中完成这些算法的——你可以将所有的类型划分为少数的几类，然后就可以在模版的参数中使用一种类型替换掉同一种类中的其他类型。

STL提供了大约100个实现算法的模版函数，比如算法for_each将为指定序列中的每一个元素调用指定的函数，stable_sort以你所指定的规则对序列进行稳定性排序等等。这样一来，只要我们熟悉了STL之后，许多代码可以被大大的化简，只需要通过调用一两个算法模板，就可以完成所需要的功能并大大地提升效率。

算法部分主要由头文件<algorithm>,<numeric>,<functional>组成。

  • <algorithm>是所有STL头文件中最大的一个（尽管它很好理解），它是由一大堆模版函数组成的，可以认为每个函数在很大程度上都是独立的，其中常用到的功能范围涉及到比较、交换、查找、遍历操作、复制、修改、移除、反转、排序、合并等等。

  • <numeric>体积很小，只包括几个在序列上面进行简单数学运算的模板函数，包括加法和乘法在序列上的一些操作。

  • <functional>中则定义了一些模板类，用以声明函数对象。

容器

在实际的开发过程中，数据结构本身的重要性不会逊于操作于数据结构的算法的重要性，当程序中存在着对时间要求很高的部分时，数据结构的选择就显得更加重要。

经典的数据结构数量有限，但是我们常常重复着一些为了实现向量、链表等结构而编写的代码，这些代码都十分相似，只是为了适应不同数据的变化而在细节上有所出入。STL容器就为我们提供了这样的方便，它允许我们重复利用已有的实现构造自己的特定类型下的数据结构，通过设置一些模版类，STL容器对最常用的数据结构提供了支持，这些模板的参数允许我们指定容器中元素的数据类型，可以将我们许多重复而乏味的工作简化。

容器部分主要由头文件<vector>,<list>,<deque>,<set>,<map>,<stack>,<queue>组成。对于常用的一些容器和容器适配器（可以看作由其它容器实现的容器），可以通过下表总结一下它们和相应头文件的对应关系。

  • 向量(vector)：连续存储的元素<vector>

  • 列表(list)：由节点组成的双向链表，每个结点包含着一个元素<list>

  • 双队列(deque)：连续存储的指向不同元素的指针所组成的数组<deque>

  • 集合(set)：由节点组成的红黑树，每个节点都包含着一个元素，节点之间以某种作用于元素对的谓词排列，没有两个不同的元素能够拥有相同的次序 <set>

  • 多重集合(multiset)：允许存在两个次序相等的元素的集合 <set>

  • 栈(stack)：后进先出的值的排列 <stack>

  • 队列(queue)：先进先出的执的排列 <queue>

  • 优先队列(priority_queue)：元素的次序是由作用于所存储的值对上的某种谓词决定的的一种队列 <queue>

  • 映射(map)：由{键，值}对组成的集合，以某种作用于键对上的谓词排列 <map>

  • 多重映射(multimap)：允许键对有相等的次序的映射 <map>

迭代器

迭代器从作用上来说是最基本的部分，可是理解起来比前两者都要费力一些。软件设计有一个基本原则，所有的问题都可以通过引进一个间接层来简化，这种简化在STL中就是用迭代器来完成的。

概括来说，迭代器在STL中用来将算法和容器联系起来，起着一种黏和剂的作用。几乎STL提供的所有算法都是通过迭代器存取元素序列进行工作的，每一个容器都定义了其本身所专有的迭代器，用以存取容器中的元素。

迭代器部分主要由头文件<utility>,<iterator>,<memory>组成。

  • <utility>是一个很小的头文件，它包括了贯穿使用在STL中的几个模板的声明;

  • <iterator>中提供了迭代器使用的许多方法;

  • 而对于<memory>的描述则十分的困难，它以不同寻常的方式为容器中的元素分配存储空间，同时也为某些算法执行期间产生的临时对象提供机制,<memory>中的主要部分是模板类allocator，它负责产生所有容器中的默认分配器。

C/C++头文件一览

C、传统 C++

#include <assert.h>　　　　设定插入点
#include <ctype.h>　　　　字符处理
#include <errno.h>　　　　 定义错误码
#include <float.h>　　　　浮点数处理
#include <fstream.h>　　　文件输入／输出
#include <iomanip.h>　　　 参数化输入／输出
#include <iostream.h>　　　数据流输入／输出
#include <limits.h>　　　　定义各种数据类型最值常量
#include <locale.h>　　　　定义本地化函数
#include <math.h>　　　　　定义数学函数
#include <stdio.h>　　　　定义输入／输出函数
#include <stdlib.h>　　　　定义杂项函数及内存分配函数
#include <string.h>　　　　字符串处理
#include <strstrea.h>　　　基于数组的输入／输出
#include <time.h>　　　　　定义关于时间的函数
#include <wchar.h>　　　　 宽字符处理及输入／输出
#include <wctype.h>　　　　宽字符分类

标准 C++

#include <algorithm>　　　  通用算法
#include <bitset>　　　　　 位集容器
#include <cctype>          字符处理库
#include <cerrno>          错误报告
#include <clocale>         本地化设置
#include <cmath>           数学常用库
#include <complex>　　　　 复数类
#include <cstdio>         输入输出
#include <cstdlib>        常用函数库
#include <cstring>        字符串
#include <ctime>          时间库
#include <deque>　　　　　 双端队列容器
#include <exception>　　　 异常处理类
#include <fstream>        输入输出文件操作库
#include <functional>　　 定义运算函数（代替运算符）
#include <limits>         数学极值库
#include <list>　　　　　 线性列表容器
#include <map>　　　　　　 映射容器
#include <iomanip>       I/O流控制
#include <ios>　　　　　　基本输入／输出支持
#include <iosfwd>　　　　输入／输出系统使用的前置声明
#include <iostream>      I/O流控制
#include <istream>　　　　 基本输入流
#include <ostream>　　　　 基本输出流
#include <queue>　　　　　  队列容器
#include <set>　　　　　　 集合容器
#include <sstream>　　　　 基于字符串的流
#include <stack>　　　　　 堆栈容器
#include <stdexcept>　　　 标准异常类
#include <streambuf>　　　底层输入／输出支持
#include <string>　　　　　字符串类
#include <utility>　　　　 通用模板类
#include <vector>　　　　 动态数组容器
#include <cwchar>        宽及多字节字符串库
#include <cwctype>       宽字符处理库

C99 增加

#include <complex.h>　　复数处理
#include <fenv.h>　　　　浮点环境
#include <inttypes.h>　　整数格式转换
#include <stdbool.h>　　 布尔环境
#include <stdint.h>　　　整型环境
#include <tgmath.h>　　通用类型数学宏