STL剖析(一)：体系结构概览

一.什么是STL?

STL全称是Standard Template Library，它属于泛型编程的范畴（泛型编程的代表性作品），泛型编程旨在编写独立于数据类型的代码，也就是说代码中的数据类型只有在编译的时候才会确定，否则为一个占位符。

C++的STL中包含了各种常用的数据结构类模板以及操作这些数据结构的泛型算法。

二.STL的六大组件

2.1 概述

STL包含六大组件：容器（Containers）、分配器（Allocators）、算法（Algorithms）、迭代器（Iterators）、函数对象（Functor Objects）和适配器（Adapters），其中函数对象也被称之为仿函数（Functors）。

STL六大组件的交互关系如下图所示：

图源自侯捷老师的《STL源码剖析》，侵权删。

从上图可以看出，STL中最重要的两种组件为容器和算法，剩下的组件都服务于这两者。分配器主要用来为容器分配存储空间；迭代器则用来遍历容器，方便算法的调用；函数对象则用来协助算法完成不同的策略变化；适配器可以修饰容器或函数对象。

2.2 容器

容器是用来存放数据的，STL定义了各种常用的数据结构来对存放的数据进行组织。C++的容器大致分类如下：

其中：

• 顺序容器的表示线性数据结构，通过其可以顺序地访问数据；
• 关联容器底层数据结构为红黑树，其搜索的时间复杂度为$O(\text{log}n)$；
• 无序关联容器底层数据为哈希表，其同样可以实现快速搜索（均摊时间复杂度为$O(1)$，最坏时间复杂度为$O(n)$）。

均摊时间复杂度指某些操作的时间复杂度较高，但操作后使得数据的组成状况得以改善，使得后续系列操作的时间复杂度降低。

2.3 分配器

分配器主要用来为容器分配和释放存储空间。STL为容器提供了默认分配器std::allocator，但用户也可以通过模板参数来指定其它分配器或自定义的分配器（一般没这个必要）。

2.4 迭代器

通过迭代器可以访问容器中的元素，其充当着容器与算法间的桥梁。

所有容器都有对应的迭代器，STL中迭代器可以分为下图所示的5类：

箭头代表迭代器之间存在继承关系。

迭代器类型	说明
Input（输入迭代器）	支持向前迭代遍历元素以及对元素的读取
Forward（正向迭代器）	支持向前迭代遍历元素以及对元素的读写
Bidirectional（双向迭代器）	支持向前/向后迭代遍历元素以及对元素的读写
Random Access（随机访问迭代器）	支持随机访问任意位置的元素以及对元素的读写
Output（输出迭代器）	支持向前迭代遍历元素以及对元素的写入

2.5 算法

算法通过迭代器来对容器中的元素进行排序、计数、搜索等操作。

STL中的容器都可以使用相同的算法。需要注意的是，某些特定类型的容器可能也定义了进行过特殊优化的算法，因此，若容器中实现了相应的算法，则推荐使用容器自带的，否则才考虑使用通用的算法。

2.6 函数对象

函数对象是某种class的实例对象，这类class重载了函数调用运算符()，使得函数对象可以被当作一般函数来使用。

STL提供了许多内置的函数对象来帮助函数，其大致可以分为：

• 函数运算：例如plus、minus
• 关系运算：例如less、greater
• 逻辑运算：例如logical_and

2.7 适配器

适配器主要用来修饰容器或函数，适配器主要包括容器适配器和函数适配器。

注意还有迭代器适配器，但一般很少用上，所以略过。

2.7.1 容器适配器

容器适配器指将对容器进行封装，并重新对容器包含的成员函数进行组合，从而提供某些特定数据结构的功能。

STL中常见的容器适配器包括：

• stack（堆栈）：底层容器为deque
• queue（队列）：底层容器为deque
• priority_queue（优先级队列）：底层容器为vector

2.7.2 函数适配器

函数适配器能改变函数或函数对象的行为。例如将函数对象的参数绑定至某个特殊值，使得二元参数函数对象变为一元参数函数对象。

三.示例代码

包含STL六大组件的栗子如下：

#include 
#include 
#include 
#include 

using namespace std;

int main()
{
    vector<int, allocator<int>> arr = { 12, 45, 110, 2, 77, 44, 8 };

    cout << count_if(arr.begin(), arr.end(),
        not1(bind2nd(less<int>(), 35))) << endl;
    return 0;
}

在上述代码中：

• 使用了顺序容器vector，并显式调用了STL的默认分配器allocator。
• count_if是STL实现的统计符合某种条件的算法函数。
• 算法对容器数据进行统计需要借助迭代器，代码中begin()表示指向容器的第一个元素，end()指向容器最后一个元素的后一个位置，即左闭右开。
• less为实现x < y关系运算的函数对象。
• not1和bind2nd表示函数适配器，bind2nd表示将关系运算函数对象的第二个参数y绑定为35，not1表示对一元函数对象的真假值取反。

四.结语

本文的完成参考了如下资料：

• cppreference.com
• cplusplus.com
• 《STL源码剖析》侯捷著

以上便是本文的全部内容，若有任何错误请批评指正！！！