STL简介（Introduction to the Standard Template Library）

昨天晚上花了一个晚上，翻译了一篇关于STL的文章。呵呵，第一次翻译这种东西，感觉计算机书籍还是英文原版的比较好，因为很多概念没法用中文恰当的表示（简直就是只可意会不可言传啊，:-)）。由于第一次翻译，呵呵，水平肯定比较菜了，关键是对STL以前没看过，比较陌生，所以翻译得很辛苦。还是看英文原版的好，翻译的太辛苦了。

STL简介（Introduction to the Standard Template Library）

gshine 译

STL(标准模板库，Standard Template Library)，是一个包含容器（container）类，算法（algorithm）和迭代器（iterators）的C++类库。它提供了许多计算机科学方面的基本算法和数据结构。STL是一个泛型（generic）库，这意味着它的各个组件（components）都已经最大程度的参数化了，基本上STL里面的所有组件都是一个模板（template）。所以，在你使用STL之前，必须保证你已经理解了C++中模板（template）是如何工作的。

容器和算法（container and algorithm）

和大多数类库一样，STL也包含容器类—它的主要目的是容纳其他的对象（通常是多个）。这些容器类包括以下几个类（classes）：vector，list，deque，set，multiset，map，multimap，hash_set，hash_multiset，hash_map和hash_multimap。所有这些类都是模板类，即可以用来实例化之后容纳任何对象。比如，你可以像使用C语言里的数组一样使用vector<int>，但是vector<int>却为你省去了手动动态分配内存的麻烦。示例如下：

vector<int> v(3); // 声明一个包含3个元素的vector对象。

v[0] = 7;

v[1] = v[0] + 3;

v[2] = v[0] + v[1]; // v[0] = 7, v[1] =10, v[2] =17

STL同时也包含有大量用来操作存储在容器（container）里数据的算法集合。例如，你可以利用reverse算法来对一个vector里面的元素进行逆序操作。

reverse(v.begin(), v.end()); // v[0] =17, v[1] =10, v[2] =7

对reverse的调用，有两个需要注意的关键点。第一，这个函数本事是一个全局函数，并不是一个类中的成员函数。第二，它有两个参数，而非一个：也就是说，它是对一个容器中某个范围里的元素进行操作，而不是针对整个容器。当然，在本例中，被操作的元素范围正好是整个容器v。

造成上述2个情况的主要原因是：reverse，和其他的STL算法一样，它们是和容器类相分离的。这意味着，reverse函数，不仅仅可以用来逆序vector中的元素，也可以逆序list中的元素，甚至也可以用来逆序普通C语言数组中的元素。所以，下面的程序也是合法的：

double A[6] = { 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7 };

reverse(A, A + 6);

for (int i = 0; i < 6; ++i)

cout << "A[" << i << "] = " << A[i];

就像逆序一个vector一样，这个例子也是用了一个范围：reverse的第一个参数指向这个范围的起始点的指针，第二个参数是指向这个范围的最后一个元素的下一个元素。这个范围可以表示为[A,A+6)；注意，前面是用"[",而结束用的是"）"，这意味着，A是范围的起点，但是A+6不是范围的最后一个点，而是结束点的下一个元素（")"表示不包含）。

迭代器（Iterators）

在上面那个逆序C语言数组的例子中，传给reverse函数的参数很明显是一个double*。那么，当你用reverse函数来逆序一个vector或者list对象时，你传给这个函数的参数应该是什么类型呢？也就是说，reverse函数声明时，它的形式参数到底是什么类型呢，而v.begin()和v.end()返回的又是什么类型呢？

答案是reverse函数的形参类型是迭代器类型，它其实是一个泛化的指针。指针本身就是一种迭代器，这就是reverse为什么可以逆序一个数组的原因。与此类似，vector类里面嵌套声明了iterator和const_iterator类型。在上面的例子中，v.begin()和v.end()返回值的类型就是vector<int>::iterator。除此之外，还有一些其他的迭代器（ierators），比如istream_iterator和ostream_iterator，但是它们和容器没有任何关系。

迭代器是实现算法和容器分离的主要机制：算法是用模板实现的，并且用迭代器参数化，因此，它们不必被限制在一种容器之中。比如，试想如何写一个算法来实现在一个线性表某个范围内查找元素。下面是STL实现用的算法find（）：

template <class InputIterator, class T>

InputIterator find(InputIterator first, InputIterator last, const T& value) {

while (first != last && *first != value) ++first;

return first;

}

Find函数有三个参数：两个迭代器用于定义查找范围，另一个是要在该范围中查找的值。该函数从头到尾检查其中的每个迭代器，直到它找到参数value指定的要查找的值或者到达了范围的末尾才停止它的查找。

First 和last 被定义为InputIterator类型，它是一个模板参数。也就是说，实际上不存在叫做“InputIterator”的类型：当你调用find函数时，编译器把你传来的实参的类型替换掉原来的类型参数InputIterator和T。所以，如果你传递的实参中，前两个参数是int*，第三个是int，那么，你实际上是在调用下面的函数：

int* find(int* first, int* last, const int& value) {

while (first != last && *first != value) ++first;

return first;

}

概念和模型（Concepts and Modeling）

[译者注：感觉Concept就像接口，定义功能需求；而Model就像类，实现接口的功能。因此，下文中Concept和Model基本没怎么翻译，直接引用原单词]

关于模板函数，当然不仅仅是STL的算法，一个很重要的问题就是什么样的类型能够准确的替换形式模板参数。例如，很明显，int*和double*能够替换find函数的形式模板参数InputIterator。当然，int和double不能替换InputIterator，这也是很显然的。Find函数中使用了表达式*first，但是，对int和double的对象来说，执行（*）操作是没有意义的。比如，int x；然后对x执行*x是不合适的，也是不允许的。所以，基本的答案是，find函数隐式的定义了一系统对参数类型的要求，只有满足这些要求的类型才能够使用它。比如，要想能够替换InputIterator的类型必须提供某些特定操作：该类型的两个对象之间必须能够比较是否相等，必须能够实现实现自增操作，还有必须能够实现（*）操作来得到它指向的对象等等。

Find函数不是唯一的有上述要求的STL算法：for_each和count等其他算法也同样需要这些要求。由于这些要求非常重要，因此我们给这些一系列的要求命名concept，比如我们称满足上面所述的要求的concept为InputIterator。一个类型如果满足了那些要求，我们就说它遵循一个concept，或者说它是一个concept的例子（model）。我们称int*是一个InputIterator的model，是因为int*提供了InputIterator这个concept的所有的要求实现的操作。

Concept不是C++语言的一部分，我们无法在程序中声明一个concept，或者声明一个特定的类型是某个concept的model。不过，concept是STL中很重要的一部分。使用concept很容易实现在程序中将接口和实现相分离。Find函数的作者仅仅需要考虑InputIterator这个concept的接口，而不需要考虑遵循InputIterator这个concept的所有类型。同样的，如果你想使用find这个函数，你也仅仅需要保证你传给它的实参是InputIterator的一个model。这就是find和reverse函数能够接受lists，vectors，数组等其他类型作为参数的原因。所以，利用concept，而不是特定的类型编程，能够实现软件组件的重用性和易于集成。

细化（Refinement）

实际上，InputIterator是一个很弱的concept，因为它仅仅施加了很少的要求。一个InputIterator必须支持指针运算的一个子集（必须实现自增运算，无论是前置还是后置），但是没有要求实现指针运算的所有操作。这对find函数来说已经足够，但是对于其他的算法，可能需要它们的参数实现更多的要求。比如，reverse函数，必须能够自增和自减它的参数：它使用了表达式--last。借助于concept，我们说reverse的参数必须是BidirectionalIterrator而非InputIterator的一个model。

BidirectionalIterrator这个concept很InputIterator很相像：它仅仅增加了一些额外的要求。BidirectionalIterrator的models 是InputIterator的models 的一个子集。如果一个类型它是BidirectionalIterrator的一个model，则它也是InputIterator的一个model。比如，int*既是BidirectionalIterrator的一个model，也是InputIterator的一个model。但是istream_iterator仅仅是InputIterator的一个model，它不符合要求等严厉的BidirectionalIterrator的要求。

对于InputIterator和BidirectionalIterrator的关系，我们称之为BidirectionalIterrator是InputIterator的一个细化（refinement）。Concept之间的细化（refinement）就像C++类之间的继承关系。我们之所以使用不同的称法，是为了强调细化应用于concept而继承应用于实际的类型。

除了我们介绍的两个外，实际上还有3个迭代器concept。这五个iterator concept是 Output Iterator, Input Iterator, Forward Iterator, Bidirectional Iterator, and Random Access Iterator；ForwardIterator是InputIterator的细化，BidirectionalIterrator是ForwardIterator的细化，RandomAccessIterator是BidirectionalIterrator的细化。（OutputIterator和其它四个concept有关系，但是它不在这个细化表中，它不是其它iterator concept的细化，并且其它的iterator concept也不细化它。）

容器类，就像迭代器一样，也被组织成concept的层次表。所有的容器都是Container这个concept的model。更加细化的concept，比如像Sequence和AssociateContainer，用于描述特定类型的容器。

STL的其它部分

如果你弄懂了算法，迭代器和容器，那么你基本上弄懂了STL的所有东西。不过，STL还包括一些其他类型的组件（components）。

首先，STL还包括一些基本的实用的工具（utilities）：这些基本的concept和函数会在整个类库的不同部分被用到。比如，Assignable这个concept，它要求类型必须实现赋值操作和复制构造函数。基本上所有的STL类都是Assignable的models，并且基本上所有的STL算法都要求它们的参数是Assignable的models。

其次，STL包含一些分配和释放内存的机制。分配运算符（Allocators）是很专业的，你通常可以很安全的忽略他们，无论是出于什么目的。

最后，STL包含一个很大的关于函数对象（function object）的集合，也叫做functors。就像迭代器是指针的泛化，函数对象是函数的泛化：你可以像调用普通函数那样使用一个函数对象。有许多种不同的和函数对象相关联的concept，包括Unary Function（可以接受一个参数的函数对象）和Binary Function（可以接受2个参数的函数对象）。函数对象是泛型编程的一个很重要的部分，因为它使抽象不仅发生在对象类型上，而且可以应用于操作这些对象的函数上。

原文出处：http://www.sgi.com/tech/stl/stl_introduction.html

gshine

2008-10-19晚

于dlut