C++、STL标准模板库和泛型编程 ——算法、迭代器 （侯捷）

使用一个东西，却不明白它的道理，不高明！—— 林语堂

阶段学习
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良好使用C++标准库
扩充C++标准库

所谓 Generic Programming （GP，泛型编程），就是使用 template （模板）为主要工具来编写程序。

• GP 是将 datas 和 methods 分开来；

  • Containers和 Algorithms可各自闭门造车﹐其间以Iterator连通即可·
  • Algorithms通过Iterators确定操作范围﹐也通过Iterators取用 Container元素。

• OOP(Object-Oriented Programming)，企图将 datas 和 methods 关联在一起。

C++标准模板库Standard Template 最重要的六大部件(Components)：容器、算法、仿函数、迭代器、适配器、分配器

• 容器(Containers)是class template
• 算法(Algorithms)是function template （其内最终涉及元素本身的操作，无非就是比大小！）
• 迭代器(Iterators)是class template
• 仿函数(Functors)是class template
• 适配器(Adapters)是class template
• 分配器(Allocators)是class template

关系图：

迭代器

前面说到迭代器中必须要有5种关联类型：pointer、reference、iterator_category(迭代器类型，比如说随机存取)、value_type(值存放类型)、difference_type(容器两个元素之间的距离类型)。

iterator_category

也有五种迭代器类型：随机存取迭代器（array、vector、deque）、双向迭代器（list、红黑树容器）、单向迭代器（forward_list，hash类容器）、输入迭代器（istream迭代器），输出迭代器（ostream迭代器）。

既然是tag，为什么要用有继承关系的class来实现呢？

• 方便迭代器类型作为参数进行传递，如果是整数的是不方便的；还有一个原因，有些算法的实现没有实现特定类型的迭代器类别，就可以用继承关系去找父迭代器类别。

iterator_category对算法的影响

以这个distance函数为例，会根据迭代器的类别来调用不同的具体实现函数，

• 一个是只包含一个减法操作的语句，
• 一个是包含一个while循环的语句，可想而知，当真实距离很大时，有while循环的具体实现函数效率会非常低下。

使用萃取机iterator_traits，虽然只有两种，但是这几种类型都是继承关系is a 父类input_iterator_tag，如果没有重载，最终都会落到input_iterator_tag。

看一个特别能体现C++注重效率的体现：
copy实现，到最终的实现细节，经过了很多判断，这些判断是为了找到最高效率的实现，就是判断迭代器的分类。

算法

Algorithms看不见Containers，对其一无所知；所以，它所需要的一切信息都必须从Iterators取得，而Iterators（由Containers供应）必须能够回答Algorithm的所有提问，才能搭配该Algorithm的所有操作。

template<typename Iterator>
Algorithm(Iterator it1, Iterator it2){
	...
}

template<typename Iterator, typename Cmp>//Cmp为传入的一个准则，比如比大小准则
Algorithm(Iterator it1, Iterator it2, Cmp comp){
	...
}

accumulate

template<class InputInterator, class T>
T accumulate(InputIterator first, InputIterator last, T init){...}

//另外一个版本为：
template<class InputInterator, class T, class BinaryOperation>
T accumulate(InputIterator first, InputIterator last, T init， BinaryOperation binary_op){...}

上面这个binary_op指明是一个二元操作数的函数，可以是仿函数（实质上是一个类），也可以是函数，只要是能够在该算法的函数体内通过小括号调用就行！！！！

• 也就是能够这么用：binary_op(a, b);
• 就算是在算法（函数）里面，也能够使用仿函数，但是传入的是仿函数的对象实例，而如果要传入函数的话，就传函数名就可以了。

int init = 100;
int nums[] = {10,20,30};
accumulate(nums, nums+3, init);//不指定具体怎么操作，默认为加法，输出160
accumulate(nums, nums+3, init, minus<int>()); //这minus时减法的意思，所以输出为40

for_each

• 对容器区间内的元素做同样的事情。

template<class InputIterator, class Function>
Function for_each(InputIterator first, InputIterator last, Function f){...}

replace

1、 replace

• 将容器区间内的元素进行替换，如果元素值等于old_value就把它替换为new_value.

template<class ForwardIterator, class T>
void replace(ForwardIterator first, ForwardIterator last, const T& old_value, const T& new_value){...}

2、replace_if

• 在算法中看到 if ，就代表你要给他一个条件。
• Predicate为一个条件，判断式子（传回真或假），如果符合条件就进行替换

template<class ForwardIterator, class Predicate, class T>
void replace_copy(ForwardIterator first, ForwardIterator last,  Predicate pred, const T& new_value){...}

3、replace_copy

• 范围内所有等同于old_value的都以new_value放置新的区间中，不符合原值的也放入新的区间

template<class InputIterator, class OutputIterator, class T>
OutputIterator replace_copy(InputIterator first, InputIterator last, OutputIterator result, const T& old_value, const T& new_value)
{...}

count

容器不带成员函数count():

array, vector, list, forward_list, deque

容器带有成员函数count()（红黑树、hash容器中有自己的count）：

set /multiset
map / multimap
unordered_set / unordered_multiset
unordered_map / unordered_multimap

1、count

• 区间内有和value相等的元素count + 1。

template<class InputIterator, class T>
typename iterator_traits<InputIterator>::difference_type
count(InputIterator first, InputIterator last, const T& value){...}

2、count_if

• 区间内有符合pred条件的 count + 1

template<class InputIterator, class Predicate>
typename iterator_traits<InputIterator>::difference_type
count_if(InputIterator first, InputIterator last, Predicate pred){...}

find

容器不带成员函数find():

array, vector, list, forward_list, deque

容器带有成员函数find()（红黑树、hash容器中有自己的find）：

set /multiset
map / multimap
unordered_set / unordered_multiset
unordered_map / unordered_multimap

1、find

• 循序查找，返回第一个和value相等的迭代器

template<class InputIterator, class T>
InputIterator find(InputIterator first, InputIterator last, const T& value){...}

1、find_if

• 循序查找，查找符合条件的第一个元素的迭代器

template<class InputIterator, class Predicate>
InputIterator find_if(InputIterator first, InputIterator last, Predicate pred){...}

sort

• sort要求RandomAccessIterator

容器不带成员函数sort():

array, vector, deque

//已经排序，遍历自然形成sorted状态
set /multiset
map / multimap
unordered_set / unordered_multiset
unordered_map / unordered_multimap

容器带有成员函数sort()：下面这两种容器都不能 " 跳 "

list, forward_list

sort

• 默认从小到大排序，也可以指定自己的比较函数，可以是仿函数，可以是函数，仿函数必须传入该仿函数的实例。

sort(InputIterator first, InputIterator last, Function f)

binary_search

• 一定是在已排序状态下
• 源码中就是调用lower_bound

template<class ForwardIterator, class T>
bool binary_search(ForwardIterator first, ForwardIterator last, const T& value){...}

lower_bound(ForwardIterator first, ForwardIterator last, T target)

lower_bound二分查找的一个版本，如果找到对应的值，则返回指向其中第一个元素的迭代器，如果不存在，则返回最适合安插这个target的点的迭代器 ，也就是说它返回迭代器指向第一个不小于target的元素，返回的是不破坏排序得以安插target的第一个适当位置。