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三十分钟掌握STL编程

作者:zz      来源:zz     发表时间:2007-02-09     浏览次数:      字号:    

函数和断言
经常需要对容器中的数据进行用户自定义的操作。例如,你可能希望遍历一个容器中所有对象的STL算法能够回调自己的函数。例如
#include <iostream.h>
#include <stdlib.h>     // Need random(), srandom()
#include <time.h>       // Need time()
#include <vector>       // Need vector
#include <algorithm>    // Need for_each()
 
#define VSIZE 24        // Size of vector
vector<long> v(VSIZE); // Vector object
 
// Function prototypes
void initialize(long &ri);
void show(const long &ri);
bool isMinus(const long &ri); // Predicate function
 
int main()
{
 srandom( time(NULL) ); // Seed random generator
 
 for_each(v.begin(), v.end(), initialize);//调用普通函数
 cout << "Vector of signed long integers" << endl;
 for_each(v.begin(), v.end(), show);
 cout << endl;
 
 // Use predicate function to count negative values
 //
 int count = 0;
 vector<long>::iterator p;
 p = find_if(v.begin(), v.end(), isMinus);//调用断言函数
 while (p != v.end()) {
    count++;
    p = find_if(p + 1, v.end(), isMinus);
 }
 cout << "Number of values: " << VSIZE << endl;
 cout << "Negative values : " << count << endl;
 
 return 0;
}
 
// Set ri to a signed integer value
void initialize(long &ri)
{
 ri = ( random() - (RAND_MAX / 2) );
 // ri = random();
}
 
// Display value of ri
void show(const long &ri)
{
 cout << ri << " ";
}
 
// Returns true if ri is less than 0
bool isMinus(const long &ri)
{
 return (ri < 0);
}
 
所谓断言函数,就是返回bool值的函数。
函数对象
除了给STL算法传递一个回调函数,你还可能需要传递一个类对象以便执行更复杂的操作。这样的一个对象就叫做函数对象。实际上函数对象就是一个类,但它和回调函数一样可以被回调。例如,在函数对象每次被for_each()或find_if()函数调用时可以保留统计信息。函数对象是通过重载operator()()实现的。如果TanyClass定义了opeator()(),那么就可以这么使用:
TAnyClass object; // Construct object
object();          // Calls TAnyClass::operator()() function
for_each(v.begin(), v.end(), object);
STL定义了几个函数对象。由于它们是模板,所以能够用于任何类型,包括C/C++固有的数据类型,如long。有些函数对象从名字中就可以看出它的用途,如plus()和multiplies()。类似的greater()和less-equal()用于比较两个值。
注意
有些版本的ANSI C++定义了times()函数对象,而GNU C++把它命名为multiplies()。使用时必须包含头文件<functional>。
一个有用的函数对象的应用是accumulate() 算法。该函数计算容器中所有值的总和。记住这样的值不一定是简单的类型,通过重载operator+(),也可以是类对象。
Listing 8. accum.cpp  
#include <iostream.h>
#include <numeric>      // Need accumulate()
#include <vector>       // Need vector
#include <functional>   // Need multiplies() (or times())
 
#define MAX 10
vector<long> v(MAX);    // Vector object
 
int main()
{
 // Fill vector using conventional loop
 //
 for (int i = 0; i < MAX; i++)
    v[i] = i + 1;
 
 // Accumulate the sum of contained values
 //
 long sum =
    accumulate(v.begin(), v.end(), 0);
 cout << "Sum of values == " << sum << endl;
 
 // Accumulate the product of contained values
 //
 long product =
    accumulate(v.begin(), v.end(), 1, multiplies<long>());//注意这行
 cout << "Product of values == " << product << endl;
 
 return 0;
}
编译输出如下:
$ g++ accum.cpp
$ ./a.out
Sum of values == 55
Product of values == 3628800
『注意使用了函数对象的accumulate()的用法。accumulate() 在内部将每个容器中的对象和第三个参数作为multiplies函数对象的参数,multiplies(1,v)计算乘积。VC中的这些模板的源代码如下:
        // TEMPLATE FUNCTION accumulate
template<class _II, class _Ty> inline
    _Ty accumulate(_II _F, _II _L, _Ty _V)
    {for (; _F != _L; ++_F)
        _V = _V + *_F;
    return (_V); }
        // TEMPLATE FUNCTION accumulate WITH BINOP
template<class _II, class _Ty, class _Bop> inline
    _Ty accumulate(_II _F, _II _L, _Ty _V, _Bop _B)
    {for (; _F != _L; ++_F)
        _V = _B(_V, *_F);
    return (_V); }
        // TEMPLATE STRUCT binary_function
template<class _A1, class _A2, class _R>
    struct binary_function {
    typedef _A1 first_argument_type;
    typedef _A2 second_argument_type;
    typedef _R result_type;
    };
        // TEMPLATE STRUCT multiplies
template<class _Ty>
    struct multiplies : binary_function<_Ty, _Ty, _Ty> {
    _Ty operator()(const _Ty& _X, const _Ty& _Y) const
        {return (_X * _Y); }
    };
引言:如果你想深入了解STL到底是怎么实现的,最好的办法是写个简单的程序,将程序中涉及到的模板源码给copy下来,稍作整理,就能看懂了。所以没有必要去买什么《STL源码剖析》之类的书籍,那些书可能反而浪费时间。』
发生器函数对象
有一类有用的函数对象是“发生器”(generator)。这类函数有自己的内存,也就是说它能够从先前的调用中记住一个值。例如随机数发生器函数。
普通的C程序员使用静态或全局变量 “记忆”上次调用的结果。但这样做的缺点是该函数无法和它的数据相分离『还有个缺点是要用TLS才能线程安全』。显然,使用类来封装一块:“内存”更安全可靠。先看一下例子:
Listing 9. randfunc.cpp
#include <iostream.h>
#include <stdlib.h>    // Need random(), srandom()
#include <time.h>      // Need time()
#include <algorithm>   // Need random_shuffle()
#include <vector>      // Need vector
#include <functional> // Need ptr_fun()
 
using namespace std;
 
// Data to randomize
int iarray[10] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
vector<int> v(iarray, iarray + 10);
 
// Function prototypes
void Display(vector<int>& vr, const char *s);
unsigned int RandInt(const unsigned int n);
 
int main()
{
 srandom( time(NULL) ); // Seed random generator
 Display(v, "Before shuffle:");
 
 pointer_to_unary_function<unsigned int, unsigned int>
    ptr_RandInt = ptr_fun(RandInt); // Pointer to RandInt()//注意这行
 random_shuffle(v.begin(), v.end(), ptr_RandInt);
 
 Display(v, "After shuffle:");
 return 0;
}
 
// Display contents of vector vr
void Display(vector<int>& vr, const char *s)
{
 cout << endl << s << endl;
 copy(vr.begin(), vr.end(), ostream_iterator<int>(cout, " "));
 cout << endl;
}
 
 
// Return next random value in sequence modulo n
unsigned int RandInt(const unsigned int n)
{
 return random() % n;
}
编译运行结果如下:
$ g++ randfunc.cpp
$ ./a.out
Before shuffle:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
After shuffle:
6 7 2 8 3 5 10 1 9 4
首先用下面的语句申明一个对象:
pointer_to_unary_function<unsigned int, unsigned int>
 ptr_RandInt = ptr_fun(RandInt);
这儿使用STL的单目函数模板定义了一个变量ptr_RandInt,并将地址初始化到我们的函数RandInt()。单目函数接受一个参数,并返回一个值。现在random_shuffle()可以如下调用:
random_shuffle(v.begin(), v.end(), ptr_RandInt);
在本例子中,发生器只是简单的调用rand()函数。
 
关于常量引用的一点小麻烦(不翻译了,VC下将例子中的const去掉)
发生器函数类对象
下面的例子说明发生器函数类对象的使用。
Listing 10. fiborand.cpp
#include <iostream.h>
#include <algorithm>   // Need random_shuffle()
#include <vector>      // Need vector
#include <functional> // Need unary_function
 
using namespace std;
 
// Data to randomize
int iarray[10] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
vector<int> v(iarray, iarray + 10);
 
// Function prototype
void Display(vector<int>& vr, const char *s);
 
// The FiboRand template function-object class
template <class Arg>
class FiboRand : public unary_function<Arg, Arg> {
 int i, j;
 Arg sequence[18];
public:
 FiboRand();
 Arg operator()(const Arg& arg);
};
 
void main()
{
 FiboRand<int> fibogen; // Construct generator object
 cout << "Fibonacci random number generator" << endl;
 cout << "using random_shuffle and a function object" << endl;
 Display(v, "Before shuffle:");
 random_shuffle(v.begin(), v.end(), fibogen);
 Display(v, "After shuffle:");
}
 
// Display contents of vector vr
void Display(vector<int>& vr, const char *s)
{
 cout << endl << s << endl;
 copy(vr.begin(), vr.end(),
    ostream_iterator<int>(cout, " "));
 cout << endl;
}
 
// FiboRand class constructor
template<class Arg>
FiboRand<Arg>::FiboRand()
{
 sequence[17] = 1;
 sequence[16] = 2;
 for (int n = 15; n > 0; n—)
    sequence[n] = sequence[n + 1] + sequence[n + 2];
 i = 17;
 j = 5;
}
 
// FiboRand class function operator
template<class Arg>
Arg FiboRand<Arg>::operator()(const Arg& arg)
{
 Arg k = sequence[i] + sequence[j];
 sequence[i] = k;
 i--;
 j--;
 if (i == 0) i = 17;
 if (j == 0) j = 17;
 return k % arg;
}
编译运行输出如下:
$ g++ fiborand.cpp
$ ./a.out
Fibonacci random number generator
using random_shuffle and a function object
Before shuffle:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
After shuffle:
6 8 5 4 3 7 10 1 9
该程序用完全不通的方法使用使用rand_shuffle。Fibonacci 发生器封装在一个类中,该类能从先前的“使用”中记忆运行结果。在本例中,类FiboRand 维护了一个数组和两个索引变量I和j。
FiboRand类继承自unary_function() 模板:
template <class Arg>
class FiboRand : public unary_function<Arg, Arg> {...
Arg是用户自定义数据类型。该类还定以了两个成员函数,一个是构造函数,另一个是operator()()函数,该操作符允许random_shuffle()算法象一个函数一样“调用”一个FiboRand对象。
绑定器函数对象
一个定器使用另一个函数对象f()和参数值V创建一个函数对象。被绑定函数对象必须为双目函数,也就是说有两个参数,A和B。STL 中的帮定器有:
·        bind1st() 创建一个函数对象,该函数对象将值V作为第一个参数A。
·        bind2nd()创建一个函数对象,该函数对象将值V作为第二个参数B。
举例如下:
Listing 11. binder.cpp
#include <iostream.h>
#include <algorithm>
#include <functional>
#include <list>
 
using namespace std;
 
// Data
int iarray[10] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
list<int> aList(iarray, iarray + 10);
 
int main()
{
 int k = 0;
 count_if(aList.begin(), aList.end(),
    bind1st(greater<int>(), 8), k);
 cout << "Number elements < 8 == " << k << endl;
 return 0;
}
Algorithm count_if()计算满足特定条件的元素的数目。 这是通过将一个函数对象和一个参数捆绑到为一个对象,并将该对象作为算法的第三个参数实现的。 注意这个表达式:
bind1st(greater<int>(), 8)
该表达式将greater<int>()和一个参数值8捆绑为一个函数对象。由于使用了bind1st(),所以该函数相当于计算下述表达式:
8 > q
表达式中的q是容器中的对象。因此,完整的表达式
count_if(aList.begin(), aList.end(),
 bind1st(greater<int>(), 8), k);
计算所有小于或等于8的对象的数目。
否定函数对象
所谓否定(negator)函数对象,就是它从另一个函数对象创建而来,如果原先的函数返回真,则否定函数对象返回假。有两个否定函数对象:not1()和not2()。not1()接受单目函数对象,not2()接受双目函数对象。否定函数对象通常和帮定器一起使用。例如,上节中用bind1nd来搜索q<=8的值:
 count_if(aList.begin(), aList.end(),
    bind1st(greater<int>(), 8), k);
如果要搜索q>8的对象,则用bind2st。而现在可以这样写:
start = find_if(aList.begin(), aList.end(),
 not1(bind1nd(greater<int>(), 6)));
你必须使用not1,因为bind1nd返回单目函数。
总结:使用标准模板库 (STL)
尽管很多程序员仍然在使用标准C函数,但是这就好像骑着毛驴寻找Mercedes一样。你当然最终也会到达目标,但是你浪费了很多时间。
尽管有时候使用标准C函数确实方便(如使用sprintf()进行格式化输出)。但是C函数不使用异常机制来报告错误,也不适合处理新的数据类型。而且标准C函数经常使用内存分配技术,没有经验的程序员很容易写出bug来。.
C++标准库则提供了更为安全,更为灵活的数据集处理方式。STL最初由HP实验室的Alexander Stepanov和Meng Lee开发。最近,C++标准委员会采纳了STL,尽管在不同的实现之间仍有细节差别。
STL的最主要的两个特点:数据结构和算法的分离,非面向对象本质。访问对象是通过象指针一样的迭代器实现的;容器是象链表,矢量之类的数据结构,并按模板方式提供;算法是函数模板,用于操作容器中的数据。由于STL以模板为基础,所以能用于任何数据类型和结构。

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