C++ STL 标准模板库介绍与入门

目录

1、概述

1.1、C++ 标准库

1.2、Boost库

2、STL 版本

2.1、HP 原始版本

2.2、P. J. 实现版本

2.3、RW 实现版本

2.4、SGI 实现版本

2.5、STLport 实现版本

3、STL 的六大组件

3.1、STL 六大组件构成

3.2、六大组件的交互关系

4、STL 的重要性

5、总结

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VC++常用功能开发汇总（专栏文章列表，欢迎订阅，持续更新...）https://blog.csdn.net/chenlycly/article/details/124272585C++软件异常排查从入门到精通系列教程（专栏文章列表，欢迎订阅，持续更新...）https://blog.csdn.net/chenlycly/article/details/125529931C++软件分析工具案例集锦（正在更新中...）https://blog.csdn.net/chenlycly/category_12279968.html?spm=1001.2014.3001.5482       STL标准模板库是C++标准库的重要组成部分，在C++代码中有着广泛的应用，今天就来详细讲述一下STL标准模板库的相关内容。

1、概述

       STL (standard template libaray - 标准模板库)，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。STL中几乎所有的代码都采用了模板类和模板函数的方式，所以有着很好的代码可重用性。

STL是一些容器、算法和其他一些组件的集合，所有容器和算法都是总结了几十年来算法和数据结构的研究成果，汇集了许多计算机专家学者经验的基础上实现的，因此可以说，STL 基本上达到了各种存储方法和相关算法的高度优化。

       我们在C++代码中常用的容器有vector、list、map和deque等，它们基于模板实现的方式，方便我们存放各种类型的数据。有了这些容器，我们一般不用自己再去实现一些数据结构，给我们带来了很大的便利，有效提高了我们编码的效率。除了容器之外，STL还提供了操作这些容器的算法函数，使用这些高效的算法函数，比直接遍历容器的效率要高很多，对于这一点可以查看我之前根据项目中的使用实例和体验撰写的文章：

VC++调用STL算法函数有效提升STL列表的搜索速度（附源码）https://blog.csdn.net/chenlycly/article/details/123943134

有的人可能会认为STL只包含容器相关的内容，其实大家平常使用的字符串类string、输入输出iostream、unique_ptr等智能指针，都是STL标准模板库中的。STL模板库不仅仅包含容器和迭代器。

       此外，说到STL，必须要说C++标准库；说到C++标准库，就要说到C++“准”标准库Boost库。所以这里简单地介绍一下C++标准库和Boost库。

1.1、C++ 标准库

        C++标准库（C++ Standard Library）提供了丰富的类库及库函数资源，这些内容总共在50个标准头文件中定义，包括语言支持、输入输出、通用工具、字符串操作、容器、迭代器、算法函数、数值操作等。

       C++标准库主要由C库、C++库和STL标准模板库构成，其中STL标准模板库在C++标准库中比重占了80%左右。在C++软件开发中，尽可能地利用C++标准库中的资源去完成。

1.2、Boost开源库

       Boost开源库由C++标准委员会的部分成员所设立的Boost社区开发并维护，使用了许多现代C++编程技术，其内容涵盖字符串处理、正则表达式、容器与数据结构、并发编程、函数式编程、泛型编程、设计模式实现等许多领域，极大地丰富了C++的功能和表现力，能够使C++软件开发更加简捷、灵活和高效。

Boost库由C++标准委员会库工作组成员发起，即许多 Boost 库的作者本身就是 C++ 标准委员会成员，因此，Boost“天然”成了标准库的后备，负责向新标准输送组件，这也使得 Boost 获得了“准”标准库的美誉！

       C++标准库从boost库中引入了大家熟知的正则表达式regex库，智能指针unique_ptr（对应boost库中的scoped_ptr）、shared_ptr和weak_ptr，函数适配bind库、函数对象容器function等。

2、STL 版本

       自 1998 年 ANSI/ISO C++ 标准正式定案，C++ STL 规范版本正式通过以后，各个 C++ 编译器厂商在此标准的基础上，实现了满足自己需求的 C++ STL 泛型库，主要包括 HP STL、PJ STL、Rouge Wave STL、SGI STL等。

2.1、HP 原始版本

       HP STL 是 Alexandar Stepanov（STL 标准模板库之父）在惠普 Palo Alto 实验室工作时，与 Meng Lee 合作完成的。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。唯一要遵守的是，必修在文件中加上HP的版本声明和运用权限声明。 

HP STL 是 C++ STL 的第一个实现版本，其它版本的 C++ STL 一般是以 HP STL 为蓝本实现出来的。不过，现在已经很少直接使用此版本的 STL 了。

2.2、P. J. 实现版本

       由 P. J. Plauger 开发，继承自 HP 版本，该版本不开源，不能公开、修改或贩卖。该版本不开源也是合法的，因为HP没要求强迫要求其衍生产品必须开源。

       该版本被微软 Visual C++ 采用，缺陷是，可读性比较低，符号命名也比较怪异。但我们在Visual Studio中阅读该版本的实现源码时，感觉还好，也没传说中那么难读。

其实 PJ STL 是 P.J.Plauger 公司的产品，尽管该公司当时只有 3 个人。

2.3、RW 实现版本

       由 Rouge Wage 公司开发，继承自 HP 版本，被Borland公司的 C+ + Builder 采用。该版本也不是开源的，不能公开、修改或贩卖，这个版本的可读性还不错。

       值得一提的是，尽管 Rouge Wave STL 的性能不是很好，但 C++ Builder 对 C++ 语言标准的支持还算不错，所以在一定程度上使 Rouge Wave STL 的表现得以改善。但遗憾的是，由于 Rouge Wave STL 长期没有更新且不完全符合标准，因此 Rouge Wave STL 在 6.0 版本时改用了 STLport 版本（之后的版本也都采用了 STLport），不过考虑到和之前版本的兼容，6.0 版本中依旧保留了 Rouge Wave STL。

Rouge Wave 公司在 C++ 程序库领域应该说是鼎鼎大名，对 C++ 标准化的过程出力甚多。不过 Rouge Wave STL 版本不仅更新频率慢，费用还高，基于这两个原因，Borland 在 6.0 版本决定弃用 Rouge Wave STL 而改用 STLport。

2.4、SGI 实现版本

       由 Silicon Graphics Computer Systems，Inc 公司开发，继承自 HP 版本。该版本被 Linux GCC 采用，可移植性好， 在 Linux 平台上的性能非常出色。该版本是开源的，可公开、修改甚至贩卖。

这个版本STL也是Alexander Stepanov主导开发的（HP版本就是他开发的），Alexander Stepanov 在离开 HP 之后，就加入到了 SGI 公司，并和 Matt Austern 等人开发了 SGI STL。

       无论是符号命名，还是编程风格，这个版本的可读性非常高。如果大家要学习 STL源码，推荐大家看这个版本的源码实现。侯捷老师的经典书籍《STL源码剖析》，也是基于这个版本展开的。

2.5、STLport 实现版本

      为了使 SGI STL 的基本代码都适用于 VC++ 和 C++ Builder 等多种编译器，俄国人 Boris Fomitchev 建立了一个 free 项目来开发 STLport，此版本 STL 是开放源码的。

由于 Rouge Wave STL 长期没有更新且不完全符合标准，因此 Rouge Wave STL 在 6.0 版本时改用了 STLport 版本，之后的版本也都采用了 STLport。

3、STL 的六大组件

       STL标准模板库是C++标准库的重要组成部分，因此所有的C++编译器都支持STL，都选用各自的STL版本。STL 提供了六大组件，彼此组合套用协同工作。

3.1、STL 六大组件构成

       这六大组件分别是：

• 容器（Containers）：各种数据结构，如 vector、list、deque、set、map 等。从实现的角度来看，容器是一种 class template。
• 算法（Algorithms）：各种常用算法，提供了执行各种操作的方式，包括对容器内容执行初始化、排序、搜索和转换等操作，比如 sort、search、copy、erase。从实现的角度来看，STL 算法是一种 function template。
• 迭代器（Iterators）：迭代器用于遍历对象集合的元素，扮演容器与算法之间的胶合剂，是所谓的“泛型指针”，共有 5 种类型，以及其他衍生变化。从实现角度来看，迭代器是一种将 operator*、operator->、operator++、operator-- 等指针操作予以重载的 class template。所有的 STL 容器附带有自己专属的迭代器，因为只有容器设计者才知道如何遍历自己的元素。
• 仿函数（Functors）：也称为函数对象（Function object），行为类似函数，可作为算法的某种策略。从实现角度来看，仿函数是一种重载了 operator() 的 class 或者 class template。
• 适配器（Adaptors）：一种用来修饰容器或者仿函数或迭代器接口的东西。例如 STL 提供的 queue 和 stack，就是一种空间配接器，因为它们的底部完全借助于 deque。
• 分配器（Allocators）：也称为空间配置器，负责空间的配置与管理。从实现的角度来看，配置器是一个实现了动态配置空间、空间管理、空间释放的 class template。

3.2、六大组件的交互关系

        六大组件的交互关系如下：

3.2.1、容器

       一个容器就是一些特定类型对象的集合。STL 中容器分为两大类，序列式容器和关联式容器。

       序列式容器（sequential container）为程序员提供了控制元素存储和访问顺序的能力。这种顺序不依赖于元素的值，而是与元素加入容器时的位置相对应。

       除了序列式容器外，标准库还定义了三个序列式容器适配器：stack、queue 和 priority_queue。适配器是标准库中的一个通用概念，容器、迭代器和函数都有适配器。本质上，一个适配器是一种机制，能使某种事物的行为看起来像另外一种事物一样。

       和序列式容器对应的是关联式容器（associative-container），关联容器中的元素是按关键字来保存和访问的。关联容器支持高效的关键字查找和访问，STL 有两个主要的关联容器：map 和 set。 

3.2.2、容器迭代器

       迭代器提供对一个容器中的对象的访问方法，并且定义了容器中对象的范围。迭代器就如同一个指针。事实上，C++ 的指针也是一种迭代器。但是，迭代器不仅仅是指针，因此你不能认为他们一定具有地址值。例如，一个数组索引，也可以认为是一种迭代器。

       迭代器有各种不同的创建方法。程序可能把迭代器作为一个变量创建。一个 STL 容器类可能为了使用一个特定类型的数据而创建一个迭代器。作为指针，必须能够使用 * 操作符类获取数据。还可以使用其他数学操作符如 ++ 操作符用来递增迭代器，以访问容器中的下一个对象。

如果迭代器到达了容器中的最后一个元素的后面，则迭代器变成 past-the-end 值。使用一个 past-the-end 值得指针来访问对象是非法的，就好像使用 NULL 或为初始化的指针一样。

3.2.3、算法

       STL 通过函数模板提供了很多作用于容器的通用算法，例如查找、插入、删除、排序等，这些算法均需要引入头文件 。

       所有的 STL 算法都作用在由迭代器 [first, last) 所标示出来的区间上，可以分为两大类：

• 质变算法（mutating algorithms）：运算过程中会更改区间内迭代器所指的元素内容，如分割（partition）、删除（remove）等算法。
• 非质变算法（nonmutating algorithms）：运算过程中不会更改区间内迭代器所指的元素内容，如匹配（search），计数（count）等算法。

       所有泛型算法的前两个参数都是一对迭代器，通常称为 first 和 last，用以标示算法的操作区间。注意，将无效的迭代器传给某个算法，虽然是一种错误，但不保证能够在编译期间被捕捉出来。

4、STL 的重要性

       要论STL的重要性要从几个维度去看。

       从学习的角度看，通过学习STL源码实现，可以学习到很多数据结构的经典实现，对于提升个人能力有好的促进作用。

       从面试的角度看，STL也面试时常问的主题，比如比较容器的优缺点（比如vector和list）、使用容器时的注意事项、某些容器的内部实现机制或思想等。

       从工作的角度看，STL实现了很多常用的数据结构以及操作这些数据结构的算法函数，我们基本不需要自己再去重复造轮子，我们可以站在前人的肩膀上，高效快速进行开发。在大家日常的C++代码中，大规模地使用了vector、list、map等容器及相关的高效算法函数，给日常开发工作带来了很大的便利，有效地提升了大家的开发效率。

5、总结

       大家在工作中多使用STL容器，积累STL容器的使用经验，在使用过程中搞清楚STL相关知识点和使用时的注意事项。大家如果想学习STL内部源码与设计思想，推荐看侯捷老师的经典著作《STL源码剖析》。

       虽然STL很强大，给我们带来很多便利，但STL也是有缺陷的。STL为了追求更高的效率，内部实现很复杂，比如类型萃取，迭代器萃取等。STL不支持线程安全，在并发操作时需要我们自己加锁保护。此外，STL是用模板实现的，保证了代码的通用及可重用性，但也带来了代码膨胀问题。使用到STL的地方，都会拷贝一份实例化实现代码，在一定程度上会有代码膨胀问题，会增加二进制文件的大小。