探索C++ STL的设计方式：将算法与数据结构分离

news2025/1/15 6:31:26

STL的设计

一、简介
二、STL容器
三、C数组
四、用户定义的集合
- 4.1、使用标准集合的typedef
- 4.2、重用标准迭代器
- 4.3、实现自己的迭代器
五、总结

一、简介

本文介绍STL的设计方式，以及如何设计自己的组件，使其能够充分利用STL的功能。

STL的设计旨在将算法与数据结构分离。

算法包括：

头文件<algorithm>中的算法。
当我们的需求无法通过标准算法解决时，我们自己编写的算法。

数据包括：

标准STL容器，如std::map和std::vector。
C 数组。
用户定义的集合。
上述内容的任何子部分。

数据甚至可以从流中获取。

通过“迭代器”接口，已经实现了将算法与数据结构分离的目的。
在这里插入图片描述

为了从各种算法的众多优势中受益，数据必须具备迭代器接口。下面介绍了如何为不同类型的数据实现迭代器。

二、STL容器

通过以下方式可以获得迭代器：

begin()和end()。
rbegin()和rend()用于反向迭代器。
cbegin()和cend()（或者const容器上的begin()和end()）用于常量迭代器。
crbegin()和crend()（或者const容器上的rbegin()和rend()）用于常量反向迭代器。

三、C数组

对于C数组，指针扮演迭代器的角色。

int myInts[100];

std::for_each(myInts, myInts + 100, doSomething);

严格来说，myInts不是指针而是数组，但它仍然提供对数组的第一个元素的访问，而myInts + 100指向“结束后”的地址，符合begin-end的语义。

因此，C数组可以与算法一起使用，在旧代码中非常有帮助。

需要注意的是，自C++11以来引入了一种新的统一语法，使用std::begin（和std::end）自由函数（而不是类方法）。它们可以统一地用于任何具有可以无参数调用的begin（或end）方法的类型，并且也可以用于C数组。

下面的代码示例说明了这种统一性：

int myInts[100];
std::vector<int> vec(100, 0); // 大小为100且初始化为0

std::for_each(std::begin(vec), std::end(vec), doSomething);
std::for_each(std::begin(myInts), std::end(myInts), doSomething);

这使得使用C数组变得更加简单，并且对于通用代码非常方便。

需要注意的是，对于C数组，必须显式地写出std命名空间，因为它无法使用ADL，但对于vector可以省略std命名空间。

四、用户定义的集合

有时会编写自己的集合来满足特定领域的需求。以用户定义的FlowCollection类为例，该类表示一组财务流量。根据上面所见，为了能够使用算法，它需要提供迭代器。那么，该如何做呢？

4.1、使用标准集合的typedef

每当想编写一个集合时，先考虑一下是否有标准集合可以满足需求。这样可以减少需要编写的代码量。在很多情况下，标准集合就足够了，可以使用typedef为它加上一个领域名称。例如：

using FlowCollection = std::vector<Flow>;

这样，就可以免费获得所有迭代器以及std::vector的所有功能，同时还有一个带有领域名称的类型。

4.2、重用标准迭代器

如果集合确实需要领域功能，或者只想要标准容器提供的部分功能，可能需要定义一个包装标准容器的类。在这种情况下，可以使用标准容器的迭代器来实现迭代器：

// 接口

class FlowCollection
{
public:
    // ...领域接口...

    // 允许访问数据的迭代器
    using const_iterator = std::vector<Flow>::const_iterator;
    const_iterator begin() const;
    const_iterator end() const;

    // 允许修改数据的迭代器
    using iterator = std::vector<Flow>::iterator;
    iterator begin();
    iterator end();

    // 其他迭代器...

private:
    std::vector<Flow> m_flows;
    // ...领域数据...
};


// 实现

FlowCollection::iterator FlowCollection::begin()
{
    return m_flows.begin();
}