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標準樣板函式庫

標準樣板函式庫（英語：Standard Template Library，縮寫：STL），是一個C++軟體庫，大量影響了C++標準程式庫但並非是其的一部分。其中包含4個組件，分別為演算法、容器、函式、迭代器。[1]

模板是C++程式設計語言中的一個重要特徵，而標準樣板函式庫正是基於此特徵。標準樣板函式庫使得C++程式語言在有了同Java一樣強大的類別館的同時，保有了更大的可延伸性。

歷史

標準樣板函式庫係由Alexander Stepanov（俄語：Степанов,_Александр_Александрович_(учёный)）創造於1979年前後，這也正是比雅尼·斯特勞斯特魯普創造C++的年代。

雖然David R. Musser（英語：David R. Musser）於1971年開始即在計算機幾何領域發展並倡導某些泛型程式設計觀念，但早期並沒有任何程式語言支援泛型程式設計。第一個支援泛型概念的語言是Ada。[來源請求] Alex和Musser曾於1987開發出一套相關的Ada library.

標準樣板函式庫設計人Stepanov早期從事教育工作，1970年代研究泛型程式設計，那時他與其同事一起在GE公司開發出一個新的程式語言——Tecton。

1983年，Stepanov先生轉至紐約大學坦登工程學院擔任助理教授，繼續研究泛型程式設計，同時寫了許多Scheme的程式，應用在graph與network的演算法上，1985年又轉至GE公司專門教授高階程式設計，並將graph與network的Scheme程式，改用Ada寫，用了Ada以後，他發現到一個動態（dynamically）類型的程式（如Scheme）與強制（strongly）類型的程式（如Ada）有多麼的不同。

在動態類型的程式中，所有類型都可以自由的轉換成別的類型，而強制類型的程式卻不能。但是，強制類型在出錯時較容易發現程式錯誤。

1988年Stepanov先生轉至HP公司執行開發泛型程式庫的工作。此時，他已經認識C語言中指標(pointer)的威力，他表示一個程式設計師只要有些許硬體知識，就很容易接受C語言中指標的觀念，同時也瞭解到C語言的所有資料結構均可以指標間接表示，這點是C與Ada、Scheme的最大不同。

Stepanov並認為，雖然C++中的繼承功能可以表示泛型設計，但終究有個限制。雖然可以在基礎類型（superclass）定義演算法和介面，但不可能要求所有物件皆是繼承這些，而且龐大的繼承體系將減低虛擬（virtual）函式的執行效率，這便違反的前面所說的「效率」原則。

到了C++模板觀念，Stepanov參加了許多有關的研討會，與C++之父比雅尼討論模板的設計細節。如，Stepanov認為C++的函式模板（function template）應該像Ada一樣，在聲明其函式原型後，應該顯式的聲明一個函式模板之實例（instance）；比雅尼則不然，他認為可以透過C++的重載（overloading）功能來表達。

Stepanov想像中的函式模板： 

   //in *.hpp
   template<class T>
   T square(T x) { return x*x; }
 
   //in *.cpp
   double square(double);
   cout << square(3.3);
   int square(int);
   cout << square(3);

比雅尼認為的函式模板： 

   //in *.hpp
   template<class T>
   T square(T x) { return x*x; }
 
   //in *.cpp
   cout << square(3.3);
   cout << square(3);

幾經爭辯，Stepanov發現比雅尼是對的（參考侯俊傑〈標準樣板函式庫講座·第三章〉）。事後Stepanov回想起來非常同意比雅尼的作法。

事實上，C++的模板，本身即是一套複雜的巨集語言（macro language），巨集語言最大的特色為：所有工作在編譯時期就已完成。顯式的聲明函式模板之實例，與直接透過C++的多載功能隱式聲明，結果一樣，並無很大區別，只是前者加重程式設計師的負擔，使得程式變得累贅。

1992年Meng Lee加入Alex的專案，成為另一位主要貢獻者。

1992年，HP泛型程式庫計畫結束，小組解散，只剩下Stepanov先生與Meng Lee小姐（她是東方人，標準樣板函式庫的英文名稱其實是取STepanov與Lee而來[2]），Lee先前研究的是編譯器的製作，對C++的模板很熟，第一版的標準樣板函式庫中許多程式都是Lee的傑作。

1993年，Andy Koenig到史丹佛大學演講，Stepanov便向他介紹標準樣板函式庫，Koenig聽後，隨即邀請Stepanov參加1993年11月的ANSI/ISO C++標準化會議，並發表演講。

Bell實驗室的Andrew Koenig於1993年知道標準樣板函式庫研究計劃後，邀請Alex於是年11月的ANSI/ISO C++標準委員會會議上展示其觀念。並獲得與會者熱烈的迴應。

1994年1月6日，Koenig寄封電子郵件給Stepanov，表示如果Stepanov願意將標準樣板函式庫的說明文件撰寫齊全，在1月25日前提出，便可能成為標準C++的一部份。Stepanov回信道："Andy, are you crazy?" 。 Koenig便說："Well, yes I am crazy, but why not try it?"。

Alex於是在次年夏天在滑鐵盧舉行的會議前完成其正式的提案，並以百分之八十壓倒性多數，一舉讓這個巨大的計劃成為C++ Standard的一部份。

標準樣板函式庫於1994年2月年正式成為ANSI/ISO C++的一部份，它的出現，促使C++程式設計師的思維方式更朝向泛型編程（generic program）發展。

內容

STL 將「在資料上執行的操作」與「要執行操作的資料分開」，分別以如下概念指代：

  • 容器：包含、放置資料的地方。
  • 迭代器：在容器中指出一個位置、或成對使用以劃定一個區域，用來限定操作所涉及到的資料範圍。
  • 演算法：要執行的操作。

容器

標準樣板函式庫包含了序列容器（sequence containers）與關聯容器（associative containers）。

資料容器 描述
序列容器 - 有序集
vector 動態陣列，相容C語言陣列。vector可以如同陣列一樣的存取方式，例如使用下標（operator[]）運算子，並記得自己的長度資訊（size），您也可以使用物件的方式來存取vector（push_back、pop_back）。使用vector可以輕易地定義多維可調整型陣列（std::vector<std::vector<...> >）。要使用vector，必須含入vector表頭檔。vector可在O(1)內完成在末尾插入 / 移除元素，但在vector中間或開頭插入/移除元素，則需要消耗O(n)時間。
list list容器是一個有序（Ordered）的資料結構（循序容器），每個元素中儲存著上一個元素和下一個元素的位址（指標），因此是一個雙向連結的鏈結串列。與vector相比，其元素的訪問速度較慢，而在已知元素位置的情況下，插入和刪除速度較快。STL容器中唯一支援事務語意。
forward_list
（單向鏈結串列） 		list的單鏈結串列版，去掉了一些操作。
deque
（雙端佇列） 		可看做為能在常數時間內完成向開頭或結尾插入或刪除元素的vector，但是修改之後，其迭代器的有效性就無法得到保障。
array 只能在初始化時指定大小的陣列，可視為內建陣列的封裝。
關聯容器 - 無序集
set 不重複元素的集合。
multiset 跟set具有相同功能，但允許重複的元素。
map 關聯陣列，每個元素含有兩個資料項，map將一個資料項對映到另一個資料項中。
multimap 跟map具有相同功能，但允許重複的鍵值。
unordered_set
unordered_multiset
unordered_map
unordered_multimap 		分別類似於集合、多重集合、對映、多重對映，但使用雜湊表實現。它的鍵（Keys）沒有排序（operator<），但是必須存在一個從鍵類型到size_t的雜湊函式、且要求鍵之間可以判等（operator==）。自C++11起進入語言標準。
其他類型的容器
bitset 儲存系列位類似的固定大小的布林向量。實現按位元運算，沒有迭代器，不是序列。可視為std::array<bool, N>。若需要改變序列長度，可用std::vector<bool>。
valarray 數值類型的std::vector。犧牲泛型能力而專為數值計算做了最佳化，例如在陣列上的sin操作可對陣列內所有數值取正弦。有些實現會對std::valarray應用向量指令等最佳化手段。
一個觀點是裡面全是數值類型的valarray才是數學意義上的向量，而可以泛型的vector更該叫array——程式語言中的陣列。

迭代器

迭代器是泛化的指標，通過使用迭代器，開發者可以運算元據結構而無需關心其內部實現。根據迭代器的操作方式的不同，迭代器分為五種[3]：

  • 輸入迭代器
  • 輸出迭代器
  • 前向迭代器
  • 雙向迭代器
  • 隨機訪問迭代器

演算法

STL提供了一些常見 的演算法，如排序和搜尋等。這些演算法與資料結構的實現進行了分離。因此，也可對自訂的資料結構使用這些演算法，只需讓這些自訂的資料結構擁有演算法所預期的迭代器。[4]。

函式對象

狹義的函式對象即多載了運算子()的類別的實例，而廣義來講所有可用 x(...) 形式呼叫的 x 都可稱為函式對象、或曰可呼叫對象。[5]。

配接器（Adaptor）

配接器為一個模板類，用於提供介面對映。[6]。

與C++標準程式庫的差異

一個常見的誤解是STL是C++標準程式庫的一部分，但事實上並非如此。例如hash table的資料結構實作在STL中有<hash_map>模板可供調用，但C++標準程式庫一直到C++11才加入了<unordered_map>。參見無序關聯容器_(STL)。

參考文獻

  1. ^ Holzner, Steven. C++ : Black Book. Scottsdale, Ariz.: Coriolis Group. 2001: 648. ISBN 1-57610-777-9. The STL is made up of containers, iterators, function objects, and algorithms 
  2. ^ # Al Stevens Interviews Alex Stepanov. [2013-10-25]. （原始內容存檔於2009-05-01）. After all, STL stands for Stepanov and Lee... 
  3. ^ Alexander, Stepanov. The Standard Template Library (PDF): 6. 1995 [2013-08-18]. （原始內容存檔 (PDF)於2013-05-17）. Depending on the operations defined on them, there are five categories of iterators: input iterators, output iterators, forward iterators, bidirectional iterators and random access iterators. 
  4. ^ Alexander, Stepanov. The Standard Template Library (PDF): 41. 1995 [2013-08-18]. （原始內容存檔 (PDF)於2013-05-17）. 
  5. ^ Alexander, Stepanov. The Standard Template Library (PDF): 14. 1995 [2013-08-18]. （原始內容存檔 (PDF)於2013-05-17）. 
  6. ^ Alexander, Stepanov. The Standard Template Library (PDF): 55. 1995 [2013-08-18]. （原始內容存檔 (PDF)於2013-05-17）. 

參見

外部連結

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