[GeekBand] STL与泛型编程(1)

在C++语法的学习过程中，我们已经对模板有了基本的了解。泛型编程就是以模板为工具的、泛化的编程思想。本篇文章介绍了一些在之前的文章中没有涉及到的一些模板知识、泛型编程知识和几种容器。关于模板的一些重复知识在这里就不再进行赘述。

一、关于模板的知识点补充

 

1. 函数模板的参数推导与显式指定

通常情况下，我们一般采用参数的自动推导方式去使用函数模板。在自动推导时，为了确保推导的正确性，C++不允许任何形式的隐式类型转换。

这个限制就导致了如下的情况：

template <class T> int max(const T &a,const T &b) {     return a>b?a:b; }

如果按照自动推导的方式，想要对1和2.0（int型和double型）进行比较，编译器是做不到的。为了解决这一问题，有如下两种方案：

第一种方案是显式进行类型转换。即max(double(1),2.0 );

第二种方案是采用显式指定模板的实例化，可采用这种语法：max<double>(1,2.0);

2. 模板的调用与匹配

当涉及到重载和模板共存时，编译器采用如下的顺序进行调用：

非模板重载函数 > 模板 > 进行隐式类型转换后再调用非模板重载函数。

当我们想强制调用模板函数时，可以使用如下的语法：

    Function_name <> (a,b);

利用一对尖括号表示要求调用模板方法。

3. 模板头中的常量使用

考虑如下的模板头：

template<typename T = int, size_t r = 1024>

其中的第二模板参数为一个size_t类型(其本质为int类型)的常量，在模板类中的使用可以理解成是一个宏定义。

这种写法的好处在于，例如，你在这个模板类中定义了一个大小为r的缓冲区并对其进行操作。

如果这里r不是模板参数，则由于普通的数组大小定义只能是固定的，只能够申请动态数组。然而如果使用了数字作为模板参数，则相当于在实例化的时候，r对于这个模板就是一个常量，因此可以写出类似于int a[r]之类的语句。

另外，这里还涉及到了模板实参的默认值。注意，无论是类型名还是模板常量，均可以设置默认值。

 

二、泛型编程基础知识

 

1. Traits（特性）

    Traits通常以一种抽象类的形式存在，用于提取出不同类型变量的共同特点。然后将这种特点应用到运算之中。

    首先考虑如下求和函数：

template<typename T> T Sigma(const T* const a,int n) {     int rlt = 0;     for(i=0;i<n;i++)         rlt += a[i]; }

    表面上看，这个求和函数不存在什么问题，然而，当我们将这一求和函数应用到这样的场景时：

char a[10] = "zzzzzzzz"; cout << Sigma(a,10);

结果却不是'z'对应的ASCII的9倍，而小于这个值。其原因在于，char类型的变量只能表示0~255之间的数字，当结果大于255时，发生了数据溢出。显然，这不是我们在求和的过程中希望看到的结果。Char，short求和的返回类型至少应该是int，float返回类型应该是double，int返回类型应该是long……

对于这个函数来说，所谓的"特性"就是他们的数值属性，将这个属性提取出来，可以采用模板的特化的办法：

template <typename T> class Sigmatraits {}; template <> class Sigmatraits<char>{     public: typedef int ReturnType } template <> class Sigmatraits<short>{     public: typedef int ReturnType } //新的Sigma的定义 typename Sigmatraits<T>::ReturnType Sigma(const T * const a,int n) { typedef typename Sigmatraits<T>::ReturnType ReturnType; ReturnType S = ReturnType (); for(int i=0;i<n;i++)      S+=a[i]; return S; }

注意新的Sigma的定义中，typename Sigmatraits<T>::ReturnType 是返回值的类型。

 

    这里需要解释一下上面的返回值类型中，typename关键字的作用。

    在作为模板参数时，typename和class关键字的作用是完全相同的，当typename不作为class的同义字使用时，考虑如下代码：

struct A{     typedef int bar; } template<class T> void foo(const T & t) {     T::bar *p; //这里是定义了一个p？还是T::bar作为一个变量乘以p？ } int main() {     A x;     foo(x); }

上述代码看似没有什么问题，但是实际上是无法编译通过的。这涉及到了函数模板的二次编译。第一次编译时，对于函数模板foo，编译器不知道T::bar是一个什么东西。究竟是一个变量名，还是一个类型名？对于这种情况，C++规定默认情况下，class::member 表示一个成员变量，因此对于foo函数，则产生了"使用了未定义的变量p"的错误。如果要求member表示一个类型名，则必须显式地声明其为typename类型，即：

void foo(const T & t) {     typename T::bar *p; //通过编译 }

2. 迭代器（Iterator）——指针的泛化

    在之前C++的学习中，已经对迭代器进行了一个初步的介绍，迭代器的使用方法与指针类似。

• 迭代器是容器和算法的接口，算法通常要以迭代器作为参数。
• 迭代器使算法和容器分离开，使算法不再依赖于数据结构（容器）。
• 迭代器又使算法和容器粘合在一起，使算法能够应用于不同的容器。

对于一般的STL迭代器，有以下的方法：

*iter	存取实际元素
iter->member	读取实际元素的成员
++iter	向前步进，传回新位置
iter++	向前步进，传回旧位置
--iter	退步（传回新位置）
iter--	退步（传回旧位置）
iter1== iter2	判断两个迭代器是否相等
TYPE(iter)	复制迭代器（copy构造函数）
TYPE()	产生迭代器（default构造函数）
iter1=iter2	赋值

另外，对于可以随机存取的数据结构，其还具有如下随机存取操作：

iter[n]	取索引位置为n的元素
iter += n	向前跳n个位置
iter -= n	向后跳n个位置
iter + n	传回iter之后的第n个位置
n + iter	传回iter之后的第n个位置
iter - n	传回iter之前的第n个位置
iter1 - iter2	传回iter1和iter2之间的距离
iter1 < iter2	判断iter1是否在iter2之前
iter1 > iter2	判断iter1是否在iter2之后
iter1 <= iter2	判断iter1是否不在iter2之后
iter1 >= iter2	判断iter1是否不在iter2之前

    在之后即将介绍的数据结构中，Vector的迭代器就是可随机存取的迭代器，而List的迭代器是不可随机存取的迭代器。

    3. 容器适配器（Adaptor）——由多能到专能

    

适配器是指，STL在自身的底层数据结构基础上，通过对一些功能的删减，使之成为更加具有针对性的容器。在STL中，指的是栈、队列、优先级队列这三种数据结构。

    

4. 内存分配器（Allocator）——管理容器的内存分配

    

各种容器的第二个参数就是内存分配器，通常情况下不需要特殊指定，只需要使用其默认参数即可。标准库中allocator类定义在头文件memory中，他将内存分配的过程和对象构造过程分离开来。allocator也是一个模板类，定义时需指明这个可以分配的对象类型，这样才能确定合适的内存大小与位对齐方法。例如：

allocator<string> alloc; 定义了一个可以分配string的allocator对象 auto const p=alloc.allocate(n); //分配n个未初始化的string内存

注意，allocator分配的内存都是未经过初始化的。可以简单的理解成，先将内存分配好，然后进行类似定位new的构造。

allocator<T> a	定义名为a的allocator对象，可以分配内存或构造T类型的对象。
a.allocate(n)	分配原始的构造内存以保存T类型的n个对象.
a.deallocate( p, n )	释放内存，在名为p的T*指针中包含的地址处保存T类型的n个对象。
a.construct( p, t )	在T*指针p所指向的内存中构造一个新元素。运行T类型的复制构造函数用t初始化该对象
a.destroy(p)	运行T*指针p所指向的对象的析构函数。

    使用Allocator的目的在于把容器的底层进一步抽离开来。

三、 几种常用的容器介绍

    1. Vector

    Vector是一个能够存放任意类型的动态数组，能够增加和压缩。

    Vector定义在<vector>中，使用时需要#include <vector>;

    1.1 创建方法

vector c	创建一个空的vector。
vector c1(c2)	复制一个vector
vector c(n)	创建一个vector，含有n个数据，数据均已缺省构造产生
vector c(n, elem)	创建一个含有n个elem拷贝的vector
vector c(beg,end)	创建一个含有n个elem拷贝的vector

    其中第五种方法，beg和end是两个迭代器/指针，它可以用来把传统的数组存储到容器中，例如：

int a[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,0}; vector x(a,a+10);

    1.2 其他成员函数

c.assign(beg,end) c.assign(n,elem)	将[beg; end)区间中的数据赋值给c。 将n个elem的拷贝赋值给c。
c.at(idx)	传回索引idx所指的数据，如果idx越界，抛出out_of_range。
c.back()	传回最后一个数据，不检查这个数据是否存在。
c.begin()	传回迭代器中的第一个数据地址。
c.capacity()	返回容器中数据个数。
c.clear()	移除容器中所有数据。
c.empty()	判断容器是否为空。
c.end()	指向迭代器中末端元素的下一个，指向一个不存在元素。
c.erase(pos) c.erase(beg,end)	删除pos位置的数据，传回下一个数据的位置。 删除[beg,end)区间的数据，传回下一个数据的位置。
c.front()	传回第一个数据。
c.insert(pos,elem) c.insert(pos,n,elem) c.insert(pos,beg,end)	在pos位置插入一个elem拷贝，传回新数据位置。 在pos位置插入n个elem数据。无返回值。 在pos位置插入在[beg,end)区间的数据。无返回值。
c.max_size()	返回容器中最大数据的数量。
c.pop_back()	删除最后一个数据。
c.push_back(elem)	在尾部加入一个数据。
c.rbegin()	传回一个逆向队列的第一个数据。
c.rend()	传回一个逆向队列的最后一个数据的下一个位置。
c.resize(num)	重新指定队列的长度。
c.reserve()	保留适当的容量。
c.size()	返回容器中实际数据的个数。
c1.swap(c2) swap(c1,c2)	交换两个容器中的全部元素。

    几点说明：

1. C.at(idx)方法进行越界检查，而C[idx]不进行越界检查。一般情况下，最好使用不进行检查的方式，这是出于效率考虑的，异常检测的效率过低。

2. 其中的"位置"指的都是迭代器。

3. vector的迭代器是随机存取迭代器。

    1.3 erase与remove_if()的联合使用

    remove_if 定义在<algorithm>中，使用前需要先进行包含。

    例如如下代码：

v.erase(remove_if(v.begin(),v.end(),ContainsString(L"C++")),v.end())

    这个代码删除了v中所有包含"C++"子串的元素。

remove_if(iter1,iter2,bool)函数并不是真正的删除函数，他是在两个迭代器的中间部分找到所有bool为1的元素，并将其移动至尾部，随后返回第一个满足条件的元素的迭代器。然后，erase方法将这个迭代器一直到v.end()中间的所有元素删除，也就实现了按照筛选条件进行删除的要求。

 

另外的两个常用基本容器List、deque和Vector的操作基本上是一样的，只不过是实现方式有所不同，导致各个操作的效率不相同；此外，另两个基本容器具有后插入的push_front和pop_front操作。