C++标准库（体系结构与内核分析）

Posted 2022-02-19 leokale-zz

一、C++标准库介绍

C++标准库：C++ Standard Library

C++标准库与STL有什么关系：

　　STL：Standard Template Library

　　STL包含6大部件，基本占标准库的80%左右内容，而另外20%是一些好用的零碎的东西，所以说C++标准库包含STL。

 

• 编译器一定带着一个C++标准库，是以头文件（header files）的形式提供的，并不是编译好的文件，而是源代码。
• C++标准库的头文件不带扩展名（.h），例如#include <vector>。
• 对于C语言的标准库，新式的C语言标准库头文件也去除了扩展名（.h），例如#include <cstdio>。
• 对于某些编译器，旧式的头文件也可以使用，例如#include <stdio.h>。
• 新式头文件内的组件都封装在命名空间（namespace）std中，例如using namespace std;

 常用写法：

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <functional>
//打开std命名空间
using namespace std;

二、STL六大部件

STL的六大部件分别是：

• 容器：Containers
• 分配器：Allocator
• 算法：Algorithms
• 迭代器：Iterator
• 适配器：Adapters
• 仿函数：Functors

其中容器和算法是最重要的两大部件。以前有句老话叫做“数据结构加算法就等于程序”，在这句话中，容器就是数据结构，是一个优秀的团队将常用的数据结构都在STL中实现了。同样的，常用算法也在STL算法部件中实现。所以掌握了C++标准库的时候，可以避免重复造轮子的问题，而且库中提供的功能都经过无数次的优化，性能有很好的保证。

六大部件简要介绍：

容器：容器是一堆常用数据结构的实现，主要用户存放和读取数据，屏蔽了底层的内存分配和释放的问题，所以能够让用户更方便和高效的使用。

分配器：容器对数据结构的封装，要处理内存分配和释放的问题，就用到了分配器。

算法：既然容器用来存取数据，相当于一个数据的仓库，那么算法就是用来处理这些数据的工具。在STL中，算法和容器是分开设计的，这和面向对象（OO）有点不符，在面向对象中，我们一般将数据和方法封装在一个类中，而在STL中，使用的是模板式编程，是另外一条路线。

迭代器：我们的算法要操作容器中的数据。如何将两者结合起来，就需要一个桥梁，这个桥梁就是迭代器。迭代器可以看成是一种泛化的指针。

仿函数：比较抽象，后面解释。

适配器：用于做一些转换，例如容器适配器、仿函数适配器、迭代器适配器。

三、六大部件示例

上图中程序解释：（其中将六大部件综合在一起展示）

1.在第11行，定义一个容器vector，模板参数为<int, allocator<int>>，其中第一个int代表vector要装的数据类型，后面的allocator<int>是一个内存分配器，用于vector的内存分配。这个分配器是一个可选项，如果不写，标准库源码中有一个默认的分配器给vector，分配器也是一个模板，模板参数必须和容器的第一模板参数匹配，这里是int。

2.定义vector变量vi，构造函数选用的是将数组ia的第一个位置和最后一个位置作为参数。

3.在第13行，选用了一个叫做count_if()的算法来处理容器vi。这个算法的作用是对vi中满足一定条件的元素进行计数。

4.count_if()的参数分别是指向容器开头的迭代器（泛化指针）、指向容器结尾的迭代器以及对元素的过滤条件。vi.begin()返回的是指向开头的迭代器，vi.end()返回的是指向结尾的迭代器。

5.less<int>()是一个仿函数，用于比较大小。

6.bind2nd(less<int>(), 40)是一个适配器，意思是将第二个参数也就是整数40，绑定到less<int>()。意思就是小于40的整数。

7.not1()函数也是一个适配器，意思是取反义，也就是将小于40，变为大于等于40。

8.最后的输出就是vi中大于等于40的元素的个数，结果为4。

四、算法效率介绍

每个人都想用效率最高的东西和方法，那位什么标准库还要提供十个八个容器和一大堆算法呢？

因为每个人的需求不同，例如数据分布、数据排列方式、数据处理需求都不一样。没有一个特定的容器或算法能够适应所有的需求。所以我们必须根据不同的需求来选择不同的容器和算法。

如何评价容器或算法的效率，我们经常会使用复杂度（Complexity）或O()（big-oh）来衡量。

主要的复杂度有以下一些：

1.O(1)或O(c)：常数时间（constant time）

2.O(n)：线性时间（linear time）

3.O(log2n)：以2为底n的对数，次线性时间（sub-linear time）

4.O(n2)：n的平方，平方时间（quadratic time）

5.O(n3)：n的立方，立方时间（cubic time）

6.O(2n)：2的n次方，指数时间（exponential time）

7.O(nlog2n)：介于线性与平方的中间模式。

这里面的n必须是一个很大的数（几十万甚至更大）才有实际的意义，因为当n很大时，各个复杂度之间的效率千差万别。而如果n很小，例如一些玩具程序，那对于计算机的计算速度，效率之间差距就没什么意义了。

五、区间表示法

我们对一个范围的表示一般有三种方式：

1.[  ]：闭区间，即包含前后的元素。

2.(  )：开区间，即前后元素都不包含。

3.[  )：前闭后开区间，即包含前面的元素，不包含后面的元素。

在C++标准库中，选择第3种作为区间表示，也就是前闭后开。

如上图所示，c是一个容器对象，c.begin()返回一个迭代器（泛化指针），这个迭代器指向容器的第一个元素的地址。c.end()也返回一个迭代器，这个迭代器指向容器最后一个元素后下一个地址，但是那个地址所保存的东西，根本不是这个容器所拥有的。所以，使用*(c.end())所取到的数据是没有意义的（可能导致程序崩溃）。

上图中展示了如何使用迭代器和for循环来遍历容器中的元素。代码如下：

int arr[10] =  1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 ;
//定义容器，将数组arr的数据放入容器中
vector<int> vi(arr, arr + 10);
//获取容器开头的迭代器
vector<int>::iterator bg = vi.begin();
//当bg不等于vi.end()时，也就是说还有滑到容器的最后，打印bg指向的数据，并滑向下一个位置
for (; bg != vi.end(); bg++) 
    cout << *bg << endl;

另一种遍历的做法（C++11新特性）：（参照笔记：C++程序设计2里的第十四节 基于range的for循环）

int arr[10] =  1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 ;
//定义容器，将数组arr的数据放入容器中
vector<int> vi(arr, arr + 10);
//使用auto可以让编译器自己推导类型，当然也可以写for(int i : vi)
for (auto i : vi) 
    cout << i << endl;