Стандартная библиотека шаблонов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

библиотечный кодировка итератор

Стандартная библиотека шаблонов предоставляет набор хорошо сконструированных и согласованно работающих вместе обобщённых компонентов C++. Особая забота была проявлена для обеспечения того, чтобы все шаблонные алгоритмы работали не только со структурами данных в библиотеке, но также и с встроенными структурами данных C++. Например, все алгоритмы работают с обычными указателями. Ортогональный проект библиотеки позволяет программистам использовать библиотечные структуры данных со своими собственными алгоритмами, а библиотечные алгоритмы - со своими собственными структурами данных. Хорошо определённые семантические требования и требования сложности гарантируют, что компонент пользователя будет работать с библиотекой и что он будет работать эффективно. Эта гибкость обеспечивает широкую применимость библиотеки.

Другое важное соображение - эффективность. C++ успешен, потому что он объединяет выразительную мощность с эффективностью. Много усилий было потрачено, чтобы проверить, что каждый шаблонный компонент в библиотеке имеет обобщённую реализацию, которая имеет эффективность выполнения с разницей в пределах нескольких процентов от эффективности соответствующей программы ручной кодировки.



1. Структура библиотеки

Библиотека содержит пять основных видов компонентов:

алгоритм (algorithm): определяет вычислительную процедуру.

контейнер (container): управляет набором объектов в памяти.

итератор (iterator): обеспечивает для алгоритма средство доступа к содержимому контейнера.

функциональный объект (function object): инкапсулирует функцию в объекте для использования другими компонентами.

адаптер (adaptor): адаптирует компонент для обеспечения различного интерфейса.

Разделение позволяет нам уменьшить количество компонентов. Например, вместо написания функции поиска элемента для каждого вида контейнера мы обеспечиваем единственную версию, которая работает с каждым из них, пока удовлетворяется основной набор требований.

Описание разъясняет структуру библиотеки. Если программные компоненты сведены в таблицу как трёхмерный массив, где одно измерение представляет различные типы данных (например, int, double), второе измерение представляет различные контейнеры (например, вектор, связный список, файл), а третье измерение представляет различные алгоритмы с контейнерами (например, поиск, сортировка, перемещение по кругу) , если i, j и k - размеры измерений, тогда должно быть разработано i* j *k различных версий кода. При использовании шаблонных функций, которые берут параметрами типы данных, нам нужно только j * k версий. Далее, если заставим наши алгоритмы работать с различными контейнерами, то нам нужно просто j+k версий. Это значительно упрощает разработку программ, а также позволяет очень гибким способом использовать компоненты в библиотеке вместе с определяемыми пользователем компонентами. Пользователь может легко определить специализированный контейнерный класс и использовать для него библиотечную функцию сортировки. Для сортировки пользователь может выбрать какую-то другую функцию сравнения либо через обычный указатель на сравнивающую функцию, либо через функциональный объект (объект, для которого определён operator()), который сравнивает. Если пользователю необходимо выполнить передвижение через контейнер в обратном направлении, то используется адаптер reverse_iterator.

Библиотека расширяет основные средства C++ последовательным способом, так что программисту на C/C++ легко начать пользоваться библиотекой. Например, библиотека содержит шаблонную функцию merge (слияние). Когда пользователю нужно два массива a и b объединить в с, то это может быть выполнено так:

int a[1000];

int b[2000];

int c[3000];

...

merge (a, a+1000, b, b+2000, c);

Когда пользователь хочет объединить вектор и список (оба - шаблонные классы в библиотеке) и поместить результат в заново распределённую неинициализированную память, то это может быть выполнено так:

vector<Employee> a;

list<Employee> b;

...

Employee* с = allocate(a.size() + b.size(), (Employee*) 0);

merge(a.begin(), a.end(), b.begin(), b.end(),

raw_storage_iterator <Employee*, Employee> (c));



где begin() и end() - функции-члены контейнеров, которые возвращают правильные типы итераторов или указателе-подобных объектов, позволяющие merge выполнить задание, а raw_storage_iterator - адаптер, который позволяет алгоритмам помещать результаты непосредственно в неинициализированную память, вызывая соответствующий конструктор копирования.

многих случаях полезно перемещаться через потоки ввода-вывода таким же образом, как через обычные структуры данных. Например, если мы хотим объединить две структуры данных и затем сохранить их в файле, было бы хорошо избежать создания вспомогательной структуры данных для хранения результата, а поместить результат непосредственно в соответствующий файл. Библиотека обеспечивает и istream_iterator, и ostream_iterator шаблонные классы, чтобы многие из библиотечных алгоритмов могли работать с потоками ввода-вывода, которые представляют однородные блоки данных. Далее приводится программа, которая читает файл, состоящий из целых чисел, из стандартного ввода, удаляя все числа, делящиеся на параметр команды, и записывает результат в стандартный вывод:

main((int argc, char** argv) {

if(argc != 2) throw("usage: remove_if_divides integer\n ");

remove_copy_if(istream_iterator<int>(cin), istream_iterator<int>(),

ostream_iterator<int>(cout, "\n"),

not1(bind2nd (modulus<int>(), atoi(argv[1]))));

}

работа выполняется алгоритмом remove_copy_if, который читает целые числа одно за другим, пока итератор ввода не становится равным end-of-stream (конец-потока) итератору, который создаётся конструктором без параметров. (Вообще все алгоритмы работают способом "отсюда досюда", используя два итератора, которые показывают начало и конец ввода.) Потом remove_copy_if записывает целые числа, которые выдерживают проверку, в выходной поток через итератор вывода, который связан с cout. В качестве предиката remove_copy_if использует функциональный объект, созданный из функционального объекта modulus<int>, который берёт i и j и возвращает i % j как бинарный предикат, и превращает в унарный предикат, используя bind2nd, чтобы связать второй параметр с параметром командной строки atoi(argv[1]). Потом отрицание этого унарного предиката получается с помощью адаптера функции not1.

более реалистичный пример - фильтрующая программа, которая берёт файл и беспорядочно перетасовывает его строки.

main(int argc, char**) {

if(argc != 1) throw("usage: shuffle\n");

vector<string> v;

copy(istream_iterator<string>(cin),istream_iterator<string>(),

inserter(v, v.end()));

random_shuffle(v.begin(), v.end());

copy(v.begin(), v.end(), ostream_iterator<string>(cout));

}

В этом примере copy перемещает строки из стандартного ввода в вектор, но так как вектор предварительно не размещён в памяти, используется итератор вставки, чтобы вставить в вектор строки одну за другой. (Эта методика позволяет всем функциям копирования работать в обычном режиме замены также, как в режиме вставки.) Потом random_shuffle перетасовывает вектор, а другой вызов copy копирует его в поток cout.



2. Требования

Для гарантии совместной работы различные компоненты библиотеки должны удовлетворять некоторым основным требованиям. Требования должны быть общими, насколько это возможно, так что вместо высказывания "класс X должен определить функцию-член operator++()", мы говорим "для любого объекта x класса X определён ++x ". (Не определено, является ли оператор членом или глобальной функцией.) Требования установлены в терминах чётких выражений, которые определяют допустимые условия типов, удовлетворяющих требованиям. Для каждого набора требований имеется таблица, которая определяет начальный набор допустимых выражений и их семантику. Любой обобщённый алгоритм, который использует требования, должен быть написан в терминах допустимых выражений для своих формальных параметров.

Если требуется, чтобы была операция линейного времени сложности, это значит - не хуже, чем линейного времени, и операция постоянного времени удовлетворяет требованию.

В некоторых случаях мы представили семантические требования, использующие код C++. Такой код предназначен как спецификация эквивалентности одной конструкции другой, не обязательно как способ, которым конструкция должна быть реализована (хотя в некоторых случаях данный код, однозначно, является оптимальной реализацией).

3. List

list - вид последовательности, которая поддерживает двунаправленные итераторы и позволяет операции вставки и стирания с постоянным временем в любом месте последовательности, с управлением памятью, обрабатываемым автоматически. В отличие от векторов и двусторонних очередей, быстрый произвольный доступ к элементам списка не поддерживается, но многим алгоритмам, во всяком случае, только и нужен последовательный доступ.

template <class T, template <class U> class Allocator = allocator>

class list {

public:

// определения типов:

typedef iterator;

typedef const_iterator;

typedef Allocator<T>::pointer pointer;

typedef Allocator<T>::reference reference;

typedef Allocator<T>::const_reference const_reference;

typedef size_type;

typedef difference_type;

typedef Т value_type;

typedef reverse_iterator;

typedef const_reverse_iterator;

// размещение/удаление:

list()

list(size_type n, const T& value = T());

template <class InputIterator>

list(InputIterator first, InputIterator last);

list(const list<T, Allocator>& x);

~list();

list<T, Allocator>& operator=(const list<T,Allocator>& x);

void swap(list<T, Allocator& x);



// средства доступа:

iterator begin();

const_iterator begin() const;

iterator end();

const_iterator end() const;

reverse_iterator rbegin();

const_reverse_iterator rbegin();

reverse_iterator rend();

const_reverse_iterator rend();

bool empty() const;

size_type size() const;

size_type max_size() const;

reference front();

const_reference front() const;

reference back();

const_reference back() const;

// вставка/стирание:

void push_front(const T& x);

void push_back(const T& x);

iterator insert(iterator position, const T& x = T());

void insert(iterator position, size_type n, const T& x);

template <class InputIterator>

void insert(iterator position, InputIterator first, InputIterator last);

void pop_front();

void pop_back();

void erase(iterator position);

void erase(iterator first, iterator last);

// специальные модифицирующие операции cо списком:

void splice(iterator position, list<T, Allocator>& x);

void splice(iterator position, list<T, Allocator>& x,

iterator i);

void splice(iterator position, list<T, Allocator>& x,

iterator first, iterator last);

void remove(const T& value);

template <class Predicate> void remove_if(Predicate pred);

void unique();

template <class BinaryPredicate> void unique(BinaryPredicate binary_pred);

void merge(list<T, Allocator>& x);

template <class Compare> void merge(list<T,Allocator>& x, Compare comp);

void reverse();

void sort();

template <class Compare> void sort(Compare comp);

};

template <class T, class Allocator>

bool operator==(const list<T, Allocator>& x, const list<T,

Allocator>& y);

template <class T, class Allocator>

bool operator<(const list<T, Allocator>& x, const list<T,

Allocator>& y);

iterator - двунаправленный итератор, ссылающийся на T. Точный тип зависит от исполнения и определяется в Allocator.

const_iterator - постоянный двунаправленный итератор, ссылающийся на const T. Точный тип зависит от исполнения и определяется в Allocator. Гарантируется, что имеется конструктор для const_iteratorиз iterator.

size_type - беззнаковый целочисленный тип. Точный тип зависит от исполнения и определяется в Allocator.

difference_type - знаковый целочисленный тип. Точный тип зависит от исполнения и определяется в Allocator.

insert не влияет на действительность итераторов и ссылок. Вставка единственного элемента в список занимает постоянное время, и ровно один раз вызывается конструктор копирования T. Вставка множественных элементов в список зависит линейно от числа вставленных элементов, а число вызовов конструктора копирования T точно равно числу вставленных элементов.

erase делает недействительными только итераторы и ссылки для стёртых элементов. Стирание единственного элемента - операция постоянного времени с единственным вызовом деструктора T. Стирание диапазона в списке занимает линейное время от размера диапазона, а число вызовов деструктора типа T точно равно размеру диапазона.

Так как списки позволяют быструю вставку и стирание в середине списка, то некоторые операции определяются специально для них:

list обеспечивает три операции стыковки, которые разрушительно перемещают элементы из одного списка в другой:

void splice(iterator position, list<T, Allocator>& x) вставляет содержимое x перед position, и x становится пустым. Требуется постоянное время. Результат не определён, если &x == this.

void splice(iterator position, list<T, Allocator>& x, iterator i) вставляет элемент, указываемый i, из списка x перед position и удаляет элемент из x. Требуется постоянное время. i - допустимый разыменовываемый итератор списка x. Результат не изменяется, если position == i или position == ++i.

void splice(iterator position, list<T, Allocator>& x, iterator first, iterator last) вставляет элементы из диапазона [first, last) перед position и удаляет элементы из x. Требуется постоянное время, если &x == this; иначе требуется линейное время. [first, last) - допустимый диапазон в x. Результат не определён, если position - итератор в диапазоне [first, last).

remove стирает все элементы в списке, указанном итератором списка i, для которого выполняются следующие условия: *i == value, pred(*i) == true. remove устойчиво, то есть относительный порядок элементов, которые не удалены, тот же самый, как их относительный порядок в первоначальном списке. Соответствующий предикат применяется точно size() раз.

unique стирает все, кроме первого элемента, из каждой последовательной группы равных элементов в списке. Соответствующий бинарный предикат применяется точно size() - 1 раз.

merge сливает список аргумента со списком (предполагается, что оба сортированы). Слияние устойчиво, то есть для равных элементов в двух списках элементы списка всегда предшествуют элементам из списка аргумента. x пуст после слияния. Выполняется, самое большее, size() + x.size() - 1 сравнений.

reverse переставляет элементы в списке в обратном порядке. Операция линейного времени.

sort сортирует список согласно operator< или сравнивающему функциональному объекту. Она устойчива, то есть относительный порядок равных элементов сохраняется. Выполняется приблизительноNlogN сравнений, где N равно size().

Размещено на Allbest.ru

...