【C++】模板的下一步，STL标准模板库的介绍

news2024/9/25 17:15:48

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🏆本篇主题为：模板的新玩法，STL标准模板库的介绍

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✨写在前头：

在学习完模板后，我们也是会了不少泛式编程，我们知道了template<typename T>是用来通用的创建模板，比起C语言的void*也是更为广泛使用，接下来我们将了解模板库，深入浅出C++ STL，迈出我们的第一步

一、什么是STL

STL是C++，Standard Template Library（标准模板库）的缩写。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。提供了一组模板化的常见数据结构和算法，并且由于其模板本质，能够以类型无关的方式处理数据。

什么是C++标准库？

C++标准库是C++语言的一个核心部分，它为程序员提供了一系列预定义的类和函数。这些类和函数用于实现常见的程序任务，如输入/输出处理（I/O）、字符串操作、数学计算、时间/日期处理、数据结构和算法等。C++标准库是经过精心设计、经过严格测试的，且具有高度可移植性的，它覆盖了从底层语言特性到高级抽象的几乎所有方面。

二、STL的几个版本

🍀 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。

三、STL随C++语言的发展

C++标准的主要版本相关联的STL的一些关键改进概览。

🍀🍀C++98与C++03

C++98是STL被正式纳入C++标准的版本。在这个版本中，STL包含了基本的容器、算法、迭代器、函数对象等。C++03是对C++98的一次微小修订，主要是对标准的清晰化和错误修正，没有对STL功能作出显著修改。

🍀🍀C++11

C++11是C++的一次重大更新，它为STL带来了许多重要的改进和扩展：

新容器：unordered_map、unordered_set、array 和 forward_list。
新算法，例如std::copy_if和std::find_if_not等。
支持 lambda 表达式，这使得使用STL算法时可以写出更清晰、更简洁的代码。
std::function 和 std::bind，为函数对象提供了更灵活的使用方式。
线程库（虽然严格来说不属于STL，但与并发编程的STL风格集成关系密切）。

🍀🍀C++14

C++14是对C++11的增强，增加了泛型 lambda 表达式和其他一些语言特性的小幅度改进。对STL的直接影响相对较小，主要是对现有特性的改善和一些新实用程序的添加。

🍀🍀C++17

C++17进一步扩充了STL，引入了：

新算法，如std::clamp、std::for_each_n等。
新容器适配器std::scoped_lock。
std::optional、std::variant和std::any等用于增强编码灵活性和错误处理能力的工具。
并行算法版本，允许算法利用多核处理器的优势来加速操作。

🍀🍀C++20

C++20是一个重大更新，对STL作了显著扩展：

引入了概念（Concepts），这是一种新的语言特性，用来指定模板类型参数必须满足的接口和语义约束。
范围视图（Ranges），提供了一种新的方式来组合并处理序列。
更多的并行算法支持。
std::span，一个表示数组视图的轻量级容器。
协程支持，虽然不是STL的一部分，但与异步编程模式紧密相关。

🍀🍀C++23

（截至2023年的信息）
C++23预计将进一步增强C++语言和STL，包括提案如统一的函数调用语法、更多的并行算法支持等。但具体内容和扩展会随着最终标准的确定而明朗化。

四、STL的六大组件

STL涉及数据结构、算法、迭代器等多个方面。STL的目标是提供高效、易用、可复用的组件。具体来说，STL由六大主要组件构成：

容器（Containers）：
容器是用于存储数据的类模板。根据数据组织方式的不同，STL容器分为以下几类：
- 序列容器：保持元素顺序的容器，如vector、deque、list。vector支持快速随机访问；deque是双端队列，支持在头尾两端快速插入和删除；list提供了快速的任意位置插入和删除。
- 关联容器：通过键来快速查找元素的容器，如set、multiset、map、multimap。set是关键字的集合，不允许重复；map是关键字到值的映射；而multiset和multimap分别允许在集合中有重复的关键字和映射。
- 无序关联容器：C++11新增了不保持元素顺序但提供快速访问的容器，如unordered_set、unordered_map、unordered_multiset、unordered_multimap。这些容器使用哈希表来实现。
算法（Algorithms）：
STL算法是一系列模板函数，用来对数据进行处理。算法的种类很多，且大多不直接改变容器的内容，而是通过迭代器操作元素。几个典型的算法例子包括：
- 非修改性算法：如find (查找元素)和count (计数元素)；
- 修改性算法：如copy (复制元素)和replace (替换元素)；
- 排序与相关操作：如sort (排序)和binary_search (二分查找)；
- 数值算法：如accumulate (计算元素总和)和inner_product (计算内积)。
迭代器（Iterators）：
迭代器是用来顺序访问容器中元素的对象。根据支持的操作，迭代器可以分为几种类别：
- 输入迭代器：只能读取序列中的元素；
- 输出迭代器：只能写入序列中的元素；
- 前向迭代器：支持读取和写入操作，并能向前移动；
- 双向迭代器：除了前向迭代器的操作外，还可以向后移动；
- 随机访问迭代器：支持所有迭代器操作，并能在序列中任意跳跃。
适配器（Adaptors）：
适配器是用来改变其他容器、迭代器或函数对象行为的组件，大致可以分为以下几类：
- 容器适配器：如stack、queue和priority_queue，分别提供了堆栈、队列和优先队列的行为。
- 迭代器适配器：如insert_iterator、stream_iterator，为迭代器提供了特殊的功能。
- 函数适配器：如bind和not1，可以改变函数对象的调用方式。
函数对象（Function Objects）：
也称为仿函数，这是重载了函数调用操作符()的对象。STL中的函数对象常用于定义如何执行某些操作，例如定义如何比较两个对象。例如，可以写一个函数对象来定义自定义排序准则。

常见的函数对象包括用于算法的比较函数，如std::less和std::greater。
分配器（Allocators）：
分配器是用来抽象内存模型和管理容器内存分配的对象。每个STL容器类型都接受另一个模板参数来指定它的分配器，默认情况下使用std::allocator。分配器使容器能够独立于具体内存模型管理内存分配。