熟悉标准库好的方法

C++标准库很大。非常大。难以置信的大。怎么个大法？这么说吧：在C++标准中，关于标准库的规格说明占了密密麻麻300多页，这还不包括标准C库，后者只是 “作为参考”（老实说，原文就是用的这个词）包含在C++库中。当然，并非总是越大越好，但在现在的情况下，确实越大越好，因为大的库会包含大量的功能。标准库中的功能越多，开发自己的应用程序时能借助的功能就越多。C++库并非提供了一切（很明显的是，没有提供并发和图形用户接口的支持），但确实提供了很多。几乎任何事你都可以求助于它。

在归纳标准库中有些什么之前，需要介绍一下它是如何组织的。因为标准库中东西如此之多，你（或象你一样的其他什么人）所选择的类名或函数名就很有可能和标准库中的某个名字相同。为了避免这种情况所造成的名字冲突，实际上标准库中的一切都被放在名字空间std中（划分全局名字空间）。但这带来了一个新问题。无数现有的C++代码都依赖于使用了多年的伪标准库中的功能，例如，声明在<iostream.h>，<complex.h>，<limits.h>等头文件中的功能。现有软件没有针对使用名字空间而进行设计，如果用std来包装标准库导致现有代码不能用，将是一种可耻行为。（这种釜底抽薪的做法会让现有代码的程序员说出比 “可耻” 更难听的话）

慑于被激怒的程序员会产生的破坏力，标准委员会决定为包装了std的那部分标准库构件创建新的头文件名。生成新头文件的方法仅仅是将现有C++头文件名中的 .h 去掉，方法本身不重要，正如最后产生的结果不一致也并不重要一样。所以<iostream.h>变成了<iostream>，<complex.h>变成了<complex>，等等。对于C头文件，采用同样的方法，但在每个名字前还要添加一个c。所以C的<string.h>变成了<cstring>，<stdio.h>变成了<cstdio>，等等。最后一点是，旧的C++头文件是官方所反对使用的（即，明确列出不再支持），但旧的C头文件则没有（以保持对C的兼容性）。实际上，编译器制造商不会停止对客户现有软件提供支持，所以可以预计，旧的C++头文件在未来几年内还是会被支持。

所以，实际来说，下面是C++头文件的现状：

· 旧的C++头文件名如<iostream.h>将会继续被支持，尽管它们不在官方标准中。这些头文件的内容不在名字空间std中。

· 新的C++头文件如<iostream>包含的基本功能和对应的旧头文件相同，但头文件的内容在名字空间std中。（在标准化的过程中，库中有些部分的细节被修改了，所以旧头文件和新头文件中的实体不一定完全对应。）

· 标准C头文件如<stdio.h>继续被支持。头文件的内容不在std中。

· 具有C库功能的新C++头文件具有如<cstdio>这样的名字。它们提供的内容和相应的旧C头文件相同，只是内容在std中。

所有这些初看有点怪，但不难习惯它。最大的挑战是把字符串头文件理清楚：<string.h>是旧的C头文件，对应的是基于char*的字符串处理函数；<string>是包装了std的C++头文件，对应的是新的string类（看下文）；<cstring>是对应于旧C头文件的std版本。如果能掌握这些（我相信你能），其余的也就容易了。

关于标准库，需要知道的第二点是，库中的一切几乎都是模板。看看你的老朋友iostream。（如果你和iostream不是朋友，转到尽量用<iostream>而不用<stdio.h>，看看你为什么要和它发展关系）iostream帮助你操作字符流，但什么是字符？是char吗？是wchar_t？是Unicode字符？一些其它的多字节字符？没有明显正确的答案，所以标准库让你去选。所有的流类（stream class）实际上是类模板，在实例化流类的时候指定字符类型。例如，标准库将cout类型定义为ostream，但ostream实际上是一个basic_ostream<char>类型定义（typedef ）。

类似的考虑适用于标准库中其它大部分类。string不是类，它是类模板：类型参数限定了每个string类中的字符类型。complex不是类，它是类模板：类型参数限定了每个complex类中实数部分和虚数部分的类型。vector不是类，它是类模板。如此不停地进行下去。

在标准库中你无法避开模板，但如果只是习惯于和char类型的流和字符串打交道，通常可以忽略它们。这是因为，对这些组件的char实例，标准库都为它们定义了typedef，这样你就可以在编程时继续使用cin，cout，cerr等对象，以及istream，ostream，string等类型，不必担心cin的真实类型是basic_istream<char>以及string的真实类型是basic_string<char>。

标准库中很多组件的模板化和上面所建议的大不相同。再看看那个概念上似乎很直观的string。当然，可以基于 “它所包含的字符类型” 确定它的参数，但不同的字符集在细节上有不同，例如，特殊的文件结束字符，拷贝它们的数组的最有效方式，等等。这些特征在标准中被称为traits，它们在string实例中通过另外一个模板参数指定。此外，string对象要执行动态内存分配和释放，但完成这一任务有很多不同的方法（如果写了operator new就要同时写operator delete）。哪一个最好？你得选择：string模板有一个Allocator参数，Allocator类型的对象被用来分配和释放string对象所使用的内存。

这里有一个basic_string模板的完整声明，以及建立在它之上的string类型定义（typedef）；你可以在<string>头文件中找到它（或与之相当的什么东西）：

注意，basic_string的traits和Allocator参数有缺省值。这在标准库中是很典型的做法。它为使用者提供了灵活性， 但对于这种灵活性所带来的复杂性，那些只想做 “正常” 操作的”典型” 用户却又可以避开。换句话说，如果只想使用象C字符串那样的字符串对象，就可以使用string对象，而不用在意实际上是在用basic_string<char, char_traits<char>, allocator<char> >类型的对象。

是的，通常可以这么做，但有时还是得稍稍看看底层。例如，将文件间的编译依赖性降至最低，声明一个类而不提供定义具有优点；它还指出，下面是一种声明string类型的错误方法：

class string;?????????????????? // 会通过编译，但
// 你不会这么做

先不要考虑名字空间，这里真正的问题在于：string不是一个类，而是一个typedef。如果可以通过下面的方法解决问题就太好了：

typedef basic_string<char> string;

但这又不能通过编译。”你所说的basic_string是什么东西？” 编译器会奇怪 —- 当然，它可能会用不同的语句来问你。所以，为了声明string，首先得声明它所依赖的所有模板。如果可以这么做的话，就会象下面这样：

template<class charT> struct char_traits;

 

template<class T> class allocator;

 

template<class charT,
class traits = char_traits<charT>,
class Allocator = allocator<charT> >
class basic_string;

 

typedef basic_string<char> string;

 

然而，你不能声明string。至少不应该。这是因为，标准库的实现者声明的stirng（或std名字空间中任何其它东西）可以和标准中所指定的有所不同，只要最终提供的行为符合标准就行。例如，basic_string的实现可以增加第四个模板参数，但这个参数的缺省值所产生的代码的行为要和标准中所说的原始的basic_string一致。

那到底该怎么办？不要手工声明string（或标准库中其它任何部分）。相反，只用包含一个适当的头文件，如<string>。

有了头文件和模板的这些知识，现在可以看看标准C++库中有哪些主要组件：

· 标准C库。它还在，你还可以用它。虽然有些地方有点小的修修补补，但无论怎么说，还是那个用了多年的C库。

· Iostream。和 “传统” Iostream的实现相比，它已经被模板化了，继承层次结构也做了修改，增强了抛出异常的能力，可以支持string（通过stringstream类）和国际化（通过locales —- 见下文）。当然，你期望Iostream库所具有的东西几乎全都继续存在。也就是说，它还是支持流缓冲区，格式化标识符，操作子和文件，还有cin，cout，cerr和clog对象。这意味着可以把string和文件当做流，还可以对流的行为进行更广泛的控制，包括缓冲和格式化。

· String。string对象在大多数应用中被用来消除对char*指针的使用。它们支持你所期望的那些操作（例如，字符串连接，通过operator[]对单个字符进行常量时间级的访问，等等），它们可以转换成char*，以保持和现有代码的兼容性，它们还自动处理内存管理。一些string的实现采用了引用计数（避免返回内部数据的句柄），这会带来比基于char*的字符串更佳的性能（时间和空间上）。

· 容器。不要再写你自己的基本容器类！标准库提供了下列高效的实现：vector（就象动态可扩充的数组），list（双链表），queue， stack，deque，map，set和bitset。唉，竟然没有hash table（虽然很多制造商作为扩充提供），但多少可以作为补偿的一点是， string是容器。这很重要，因为它意味着对容器所做的任何操作（见下文）对string也适用。

什么？你不明白我为什么说标准库的实现很高效？很简单：标准库规定了每个类的接口，而且每条接口规范中的一部分是一套性能保证。所以，举例来说，无论vector是如何实现的，仅仅提供对它的元素的访问是不够的，还必须提供 “常量时间” 内的访问。如果不这样，就不是一个有效的vector实现。

很多C++程序中，动态分配字符串和数组导致大量使用new和delete，new/delete错误 —- 尤其是没有delete掉new出来的内存而导致的泄漏 —- 时常发生。如果使用string和vector对象（二者都执行自身的内存管理）而不使用char*和动态分配的数组的指针，很多new和delete就可以免于使用，使用它们所带来的问题也会随之消失（例如，析构函数里对指针成员调用delete和为需要动态分配内存的类声明一个拷贝构造函数和一个赋值操作符）。

· 算法。标准容器当然好，如果存在易于使用它们的方法就更好。标准库就提供了大量简易的方法（即，预定义函数，官方称为算法(algorithm) —- 实际上是函数模板），其中的大多数适用于库中所有的容器 —- 以及内建数组（built-in arrays）！

算法将容器的内容当作序列（sequence），每个算法可以应用于一个容器中所有值所对应的序列，或者一个子序列（subsequence）。标准算法有for_each（为序列中的每个元素调用某个函数），find（在序列中查找包含某个值的第一个位置 —- 使公有继承体现 “是一个” 的含义展示了它的实现），count_if（计算序列中使得某个判定为真的所有元素的数量），equal（确定两个序列包含的元素的值是否完全相同），search（在一个序列中找出某个子序列的起始位置），copy（拷贝一个序列到另一个），unique（在序列中删除重复值），rotate（旋转序列中的值），sort（对序列中的值排序）。注意这里只是抽取了所有算法中的几个；标准库中还包括其它很多算法。

和容器操作一样，算法也有性能保证。例如，stable_sort算法执行时要求不超过0比较级(N log N) 。（如果不理解上面句子中符号 “0” 的意思，不要紧张。概括的说，它的意思实际上是，stable_sort提供的性能必须和最高效的通用排序算法在同一个级别。）

· 对国际化的支持。不同的文化以不同的方式行事。和C库一样，C++库提供了很多特性有助于开发出国际化的软件。但虽然从概念上来说和C类似，其实C++的方法还是有所不同。例如，C++为支持国际化广泛使用了模板，还利用了继承和虚函数，这些一定不会让你感到奇怪。

支持国际化最主要的构件是facets和locales。facets描述的是对一种文化要处理哪些特性，包括排序规则（即，某地区字符集中的字符应该如何排序），日期和时间应该如何表示，数字和货币值应该如何表示，怎样将信息标识符映射成（自然的）明确的语言信息，等等。locales将多组facets捆绑在一起。例如，一个关于美国的locale将包括很多facets，描述如何对美国英语字符串排序，如何以适合美国人的方式读写日期和时间，读写货币和数字值，等等。而对于一个关于法国的locales来说，它描述的是怎么以法国人所习惯的方式完成这些任务。C++允许单个程序中同时存在多个locales，所以一个应用中的不同部分可能采用的是不同的规范。

· 对数字处理的支持。FORTRAN的末日可能就快到了。C++库为复数类（实数和虚数部分的精度可以是float，double或long double）和专门针对数值编程而设计的特殊数组提供了模板。例如，valarray类型的对象可用来保存可以任意混叠(aliasing)的元素。这使得编译器可以更充分地进行优化，尤其是对矢量计算机来说。标准库还对两种不同类型的数组片提供了支持，并提供了算法计算内积(inner product)，部分和(partial sum)，临差(adjacent difference)等。

· 诊断支持。标准库支持三种报错方式：C的断言（参见条款7），错误号，例外。为了有助于为例外类型提供某种结构，标准库定义了下面的例外类（exception class）层次结构：

|—domain_error
|—– logic_error<—- |—invalid_argument
|????????????????????????????? |—length_error
|????????????????????????????? |—out_of_range
exception<–|
|?????????????????????????????? |— range_error
|—–runtime_error<–|—underflow_error
|—overflow_error

logic_error（或它的子类）类型的例外表示的是软件中的逻辑错误。理论上来说，这样的错误可以通过更仔细的程序设计来防止。runtime_error（或它的子类）类型的例外表示的是只有在运行时才能发现的错误。

可以就这样使用它们，可以通过继承它们来创建自己的例外类，或者可以不去管它。没有人强迫你使用它。

上面列出的内容并没有涵盖标准库中的一切。记住，规范有300多页。但它还是为你初步展现了标准库的基本概貌。

标准库中容器和算法这部分一般称为标准模板库。STL中实际上还有第三个构件 —- 迭代子（Iterator） —- 前面没有介绍过。迭代子是指针似的对象，它让STL算法和容器共同工作。不过现在不需要弄清楚迭代子，因为我这里所介绍的是标准库的高层描述。如果你对它感兴趣，可以在避免 “向下转换” 继承层次中找到使用它的例子。

STL是标准库中最具创新的部分，这并不是因为它提供了容器和算法（虽然它们非常有用），而是因为它的体系结构。简单来说，它的体系结构具有扩展性：你可以对STL进行添加。当然，标准库中的组件本身是固定的，但如果遵循STL构建的规范，你可以写出自己的容器，算法和迭代子，使它们可以和标准STL组件一起工作，就象标准组件自身之间相互工作一样。你还可以利用别人所写的符合STL规范的容器，算法和迭代子，就象别人利用你的一样。使得STL具有创新意义的原因在于它实际上不是软件，而是一套规范（convention）。标准库中的STL组件只是具体体现了遵循这种规范所能带来的好处。

通过使用标准库中的组件，通常可以让你避免从头到尾来设计自己的IO流，string，容器，国际化，数值数据结构以及诊断等机制。这就给了你更多的时间和精力去关注软件开发中真正重要的部分：实现那些有别于你的竞争对手的软件功能。