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详细介绍C++ STL编程(二)

2014年06月20日 14:09:09 | 作者:佚名 | 来源:51CTO | 查看本文手机版

摘要:作为C 标准不可缺少的一部分,STL应该是渗透在C 程序的角角落落里的。STL不是实验室里的宠儿,也不是程序员桌上的摆设,她的激动人心并非昙花一现。本教程旨在传播和普及STL的基础知识,若能借此机会为STL的推广做些力所能及...

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C++STL

作为C 标准不可缺少的一部分,STL应该是渗透在C 程序的角角落落里的。STL不是实验室里的宠儿,也不是程序员桌上的摆设,她的激动人心并非昙花一现。本教程旨在传播和普及STL的基础知识,若能借此机会为STL的推广做些力所能及的事情,到也是件让人愉快的事情。

2 牛刀小试:且看一个简单例程

2.1 引子

如果你是一个纯粹的实用主义者,也许一开始就可以从这里开始看起,因为此处提供了一个示例程序,它可以带给你有关使用STL的最直接的感受。是的,与其纸上谈兵,不如单刀直入,实际操作一番。但是,需要提醒的是,假如你在兴致昂然地细细品味本章内容的时候,能够同时结合前面章节作为佐餐,那将是再好不过的。你会发现,前面所提到的有关STL的那些优点,在此处得到了确切的应证。本章的后半部分,将为你演示在一些主流C 编译器上,运行上述示例程序的具体操作方法,和需要注意的事项。

2.2 例程实作

非常遗憾,我不得不舍弃"Hello World"这个经典的范例,尽管它不只一次的被各种介绍计算机语言的教科书所引用,几乎成为了一个默认的“标准”。其原因在于它太过简单了,以至于不具备代表性,无法展现STL的巨大魅力。我选用了一个稍稍复杂一点的例子,它的大致功能是:从标准输入设备(一般是键盘)读入一些整型数据,然后对它们进行排序,最终将结果输出到标准输出设备(一般是显示器屏幕)。这是一种典型的处理方式,程序本身具备了一个系统所应该具有的几乎所有的基本特征:输入 处理 输出。

你将会看到三个不同版本的程序。

第一个是没有使用STL的普通C 程序,你将会看到完成这样看似简单的事情,需要花多大的力气,而且还未必没有一点问题(真是吃力不讨好)。

第二个程序的主体部分使用了STL特性,此时在第一个程序中所遇到的问题就基本可以解决了。同时,你会发现采用了STL之后,程序变得简洁明快,清晰易读。

第三个程序则将STL的功能发挥到了及至,你可以看到程序里几乎每一行代码都是和STL相关的。这样的机会并不总是随处可见的,它展现了STL中的几乎所有的基本组成部分,尽管这看起来似乎有点过分了。

有几点是需要说明的:

这个例程的目的,在于向你演示如何在C 程序中使用STL,同时希望通过实践,证明STL所带给你的确确实实的好处。程序中用到的一些STL基本组件,比如:vector(一种容器)、sort(一种排序算法),你只需要有一个大致的概念就可以了,这并不影响阅读代码和理解程序的含义。

很多人对GUI(图形用户界面)的运行方式很感兴趣,这也难怪,漂亮的界面总是会令人赏心悦目的。但是很可惜,在这里没有加入这些功能。这很容易解释,对于所提供的这个简单示例程序而言,加入GUI特性,是有点本末倒置的。这将会使程序的代码量骤然间急剧膨胀,而真正可以说明问题的核心部分确被淹没在诸多无关紧要的代码中间(你需要花去极大的精力来处理键盘或者鼠标的消息响应这些繁琐而又较为规范的事情)。即使你有像Borland C Builder这样的基于IDE(集成化开发环境)的工具,界面的处理变得较为简单了(框架代码是自动生成的)。请注意,我们这里所谈及的是属于C 标准的一部分(STL的第一个字母说明了这一点),它不涉及具体的某个开发工具,它是几乎在任何C 编译器上都能编译通过的代码。毕竟,在Microsoft Visual C 和Borland C Builder里,有关GUI的处理代码是不一样的。如果你想了解这些GUI的细节,这里恐怕没有你希望得到的答案,你可以寻找其它相关书籍。

2.2.1 第一版:史前时代--转木取火

在STL还没有降生的"黑暗时代",C 程序员要完成前面所提到的那些功能,需要做很多事情(不过这比起C程序来,似乎好一点),程序大致是如下这个样子的: 

  1. // name:example2_1.cpp  
  2. // alias:Rubish  
  3. #include   
  4. #include  
  5. int compare(const void *arg1, const void *arg2);  
  6. void main(void)  
  7. {  
  8. const int max_size = 10; // 数组允许元素的最大个数  
  9. int num[max_size]; // 整型数组  
  10. // 从标准输入设备读入整数,同时累计输入个数,  
  11. // 直到输入的是非整型数据为止  
  12. int n;  
  13. for (n = 0; cin >> num[n]; n  );  
  14. // C标准库中的快速排序(quick-sort)函数  
  15. qsort(num, n, sizeof(int), compare);  
  16. // 将排序结果输出到标准输出设备  
  17. for (int i = 0; i < n; i  )  
  18. cout << num[i] << "\n";  
  19. }  
  20. // 比较两个数的大小,  
  21. // 如果*(int *)arg1比*(int *)arg2小,则返回-1  
  22. // 如果*(int *)arg1比*(int *)arg2大,则返回1  
  23. // 如果*(int *)arg1等于*(int *)arg2,则返回0  
  24. int compare(const void *arg1, const void *arg2)  
  25. {  
  26. return (*(int *)arg1 < *(int *)arg2) ? -1 :  
  27. (*(int *)arg1 > *(int *)arg2) ? 1 : 0;  

这是一个和STL没有丝毫关系的传统风格的C 程序。因为程序的注释已经很详尽了,所以不需要我再做更多的解释。总的说来,这个程序看起来并不十分复杂(本来就没有太多功能)。只是,那个compare函数,看起来有点费劲。指向它的函数指针被作为最后一个实参传入qsort函数,qsort是C程序库stdlib.h中的一个函数。以下是qsort的函数原型:

  1. void qsort(void *base, size_t num, size_t width, int (__cdecl *compare )
  2. (const void *elem1, const void *elem2 ) );  

看起来有点令人作呕,尤其是最后一个参数。大概的意思是,第一个参数指明了要排序的数组(比如:程序中的num),第二个参数给出了数组的大小(qsort没有足够的智力预知你传给它的数组的实际大小),第三个参数给出了数组中每个元素以字节为单位的大校最后那个长长的家伙,给出了排序时比较元素的方式(还是因为qsort的智商问题)。

以下是某次运行的结果:

输入:0 9 2 1 5

输出:0 1 2 5 9

有一个问题,这个程序并不像看起来那么健壮(Robust)。如果我们输入的数字个数超过max_size所规定的上限,就会出现数组越界问题。如果你在Visual C 的IDE环境下以控制台方式运行这个程序时,会弹出非法内存访问的错误对话框。这个问题很严重,严重到足以使你开始重新审视这个程序的代码。为了弥补程序中的这一缺陷。我们不得不考虑采用如下三种方案中的一种:

  • 采用大容量的静态数组分配。
  • 限定输入的数据个数。
  • 采用动态内存分配。

第一种方案比较简单,你所做的只是将max_size改大一点,比如:1000或者10000。但是,严格讲这并不能最终解决问题,隐患仍然存在。假如有人足够耐心,还是可以使你的这个经过纠正后的程序崩溃的。此外,分配一个大数组,通常是在浪费空间,因为大多数情况下,数组中的一部分空间并没有被利用。

再来看看第二种方案,通过在第一个for循环中加入一个限定条件,可以使问题得到解决。

比如:

  1. for (int n = 0; cin >> num[n] && n < max_size; n  );  

但是这个方案同样不甚理想,尽管不会使程序崩溃,但失去了灵活性,你无法输入更多的数。

看来只有选择第三种方案了。是的,你可以利用指针,以及动态内存分配妥善的解决上述问题,并且使程序具有良好的灵活性。这需要用到new,delete操作符,或者古老的malloc(),realloc()和free()函数。但是为此,你将牺牲程序的简洁性,使程序代码陡增,代码的处理逻辑也不再像原先看起来那么清晰了。

一个compare函数或许就已经令你不耐烦了,更何况要实现这些复杂的处理机制呢?很难保证你不会在处理这个问题的时候出错,很多程序的bug往往就是这样产生的。同时,你还应该感谢stdlib.h,它为你提供了qsort函数,否则,你还需要自己实现排序算法。如果你用的是冒泡法排序,那效率就不会很理想。……,问题真是越来越让人头疼了!

关于第一个程序的讨论就到此为止,如果你对第三种方案感兴趣的话,可以尝试着自己编写一个程序,作为思考题。这里就不准备再浪费笔墨去实现这样一个让人不甚愉快的程序了。

2.2.2 第二版:工业时代--组件化大生产

我们应该庆幸自己所生活的年代。工业时代,科技的发展所带来的巨大便利已经影响到了我们生活中的每个细节。如果你还在以原始人类的方式生活着,那我真该怀疑你是否属于某个生活在非洲或者南美丛林里的原始部落中的一员了,难道是玛雅文明又重现了?

STL便是这个时代的产物,正如其他科技成果一样,C 程序员也应该努力使自己适应并充分利用这个"高科技成果"。让我们重新审视第一版的那个破烂不堪的程序。试着使用一下STL,看看效果如何。

  1. // name:example2_2.cpp  
  2. // alias:The first STL program  
  3. #include   
  4. #include   
  5. #include  
  6. using namespace std;  
  7. void main(void)  
  8. {  
  9. vector num; // STL中的vector容器  
  10. int element;  
  11. // 从标准输入设备读入整数,   
  12. // 直到输入的是非整型数据为止  
  13. while (cin >> element)  
  14. num.push_back(element);  
  15. // STL中的排序算法  
  16. sort(num.begin(), num.end());  
  17. // 将排序结果输出到标准输出设备  
  18. for (int i = 0; i < num.size(); i  )  
  19. cout << num[i] << "\n";  

这个程序的主要部分改用了STL的部件,看起来要比第一个程序简洁一点,你已经找不到那个讨厌的compare函数了。它真的能很好的运行吗?你可以试试,因为程序的运行结果和前面的大致差不多,所以在此略去。我可以向你保证,这个程序是足够健壮的。不过,可能你还没有完全看明白程序的代码,所以我需要为你解释一下。毕竟,这个戏法变得太快了,较之第一个程序,一眨眼的功夫,那些老的C 程序员所熟悉的代码都不见了,取而代之的是一些新鲜玩意儿。

程序的前三行是包含的头文件,它们提供了程序所要用到的所有C 特性(包括输入输出处理,STL中的容器和算法)。不必在意那个.h,并不是我的疏忽,程序保证可以编译通过,只要你的C 编译器支持标准C 规范的相关部分。你只需要把它们看作是一些普通的C 头文件就可以了。事实上,也正是如此,如果你对这个变化细节感兴趣的化,可以留意一下你身旁的佐餐。

同样可以忽略第四行的存在。加入那个声明只是为了表明程序引用到了std这个标准名字空间(namespace),因为STL中的那些玩意儿全都包含在那里面。只有通过这行声明,编译器才能允许你使用那些有趣的特性。

程序中用到了vector,它是STL中的一个标准容器,可以用来存放一些元素。你可以把vector理解为int [?],一个整型的数组。之所以大小未知是因为,vector是一个可以动态调整大小的容器,当容器已满时,如果再放入元素则vector会悄悄扩大自己的容量。push_back是vector容器的一个类属成员函数,用来在容器尾端插入一个元素。main函数中第一个while循环做的事情就是不断向vector容器尾端插入整型数据,同时自动维护容器空间的大校

sort是STL中的标准算法,用来对容器中的元素进行排序。它需要两个参数用来决定容器中哪个范围内的元素可以用来排序。这里用到了vector的另两个类属成员函数。begin()用以指向vector的首端,而end()则指向vector的末端。这里有两个问题,begin()和end()的返回值是什么?这涉及到STL的另一个重要部件--迭代器(Iterator),不过这里并不需要对它做详细了解。你只需要把它当作是一个指针就可以了,一个指向整型数据的指针。相应的sort函数声明也可以看作是void sort(int* first, int* last),尽管这实际上很不精确。

另一个问题是和end()函数有关,尽管前面说它的返回值指向vector的末端,但这种说法不能算正确。事实上,它的返回值所指向的是vector中最末端元素的后面一个位置,即所谓pass-the-end value。这听起来有点费解,不过不必在意,这里只是稍带一提。总的来说,sort函数所做的事情是对那个准整型数组中的元素进行排序,一如第一个程序中的那个qsort,不过比起qsort来,sort似乎要简单了许多。

程序的最后是输出部分(+微信关注网络世界),在这里vector完全可以以假乱真了,它所提供的对元素的访问方式简直和普通的C 内建数组一模一样。那个size函数用来返回vector中的元素个数,就相当于第一个程序中的变量n。这两行代码直观的不用我再多解释了。

我想我的耐心讲解应该可以使你大致看懂上面的程序了,事实上STL的运用使程序的逻辑更加清晰,使代码更易于阅读。试问,有谁会不明白begin、end、size这样的字眼所表达的含义呢(除非他不懂英语)?试着运行一下,看看效果。再试着多输入几个数,看看是否会发生数组越界现象。实践证明,程序运行良好。是的,由于vector容器自行维护了自身的大小,C 程序员就不用操心动态内存分配了,指针的错误使用毕竟会带来很多麻烦,同时程序也会变得冗长无比。这正是前面第三种方案的缺点所在。

再仔细审视一下你的第一个STL版的C 程序,回顾一下第一章所提到的那些有关STL的优点:易于使用,具有工业强度……,再比较一下第一版的程序,我想你应该有所体会了吧!

2.2.3 第三版:唯美主义的杰作

事态的发展有时候总会趋向极端,这在那些唯美主义者当中犹是如此。首先声明,我并不是一个唯美主义者,提供第二版程序的改进版,完全是为了让你更深刻的感受到STL的魅力所在。在看完第三版之后,你会强烈感受到这一点。或许你也会变成一个唯美主义者了,至少在STL方面。这应该不是我的错,因为决定权在你手里。下面我们来看看这个绝版的C 程序。

  1. // name:example2_3.cpp  
  2. // alias:aesthetic version  
  3. #include   
  4. #include   
  5. #include   
  6. #include  
  7. using namespace std;  
  8. void main(void)  
  9. {  
  10. typedef vector int_vector;  
  11. typedef istream_iterator istream_itr;  
  12. typedef ostream_iterator ostream_itr;  
  13. typedef back_insert_iterator< int_vector > back_ins_itr;  
  14. // STL中的vector容器  
  15. int_vector num;  
  16. // 从标准输入设备读入整数,   
  17. // 直到输入的是非整型数据为止  
  18. copy(istream_itr(cin), istream_itr(), back_ins_itr(num));  
  19. // STL中的排序算法  
  20. sort(num.begin(), num.end());  
  21. // 将排序结果输出到标准输出设备  
  22. copy(num.begin(), num.end(), ostream_itr(cout, "\n"));  

在这个程序里几乎每行代码都是和STL有关的(除了main和那对花括号,当然还有注释),并且它包含了STL中几乎所有的各大部件(容器container,迭代器iterator, 算法algorithm, 适配器adaptor),唯一的遗憾是少了函数对象(functor)的身影。

还记得开头提到的一个典型系统所具有的基本特征吗?--输入 处理 输出。所有这些功能,在上面的程序里,仅仅是通过三行语句来实现的,其中每一行语句对应一种操作。对于数据的操作被高度的抽象化了,而算法和容器之间的组合,就像搭积木一样轻松自如,系统的耦合度被降到了极低点。这就是闪耀着泛型之光的STL的伟大力量。如此简洁,如此巧妙,如此神奇!綜NW.com.cn资讯】中设置编译选项来完成。

有时,在IDE环境下编译STL程序时,可能会出现如下警告信息(前面那几个示例程序不会出现这种情况):

warning C4786: '……' : identifier was truncated to '255' characters in the debug information

这是因为编译器在Debug状态下编译时,把程序中所出现的标识符长度限制在了255个字符范围内。如果超过最大长度,这些标识符就无法在调试阶段查看和计算了。而在STL程序中大量的用到了模板函数和模板类,编译器在实例化这些内容时,展开之后所产生的标识符往往很长(没准会有一千多个字符!)。如果你想认识一下这个warning的话,很简单,在程序里加上如下一行代码:

  1. vector string_array; // 类似于字符串数组变量 

对于这样的warning,当然可以置之不理,不过也是有解决办法的。 你可以在文件开头加入下面这一行:#pragma warning(disable: 4786)。它强制编译器忽略这个警告信息,这种做法虽然有点粗鲁,但是很有效。

至于C Builder,其DOS命令行状态下的运行方式是这样的。假如你的C Builder装在C:\Program Files\Borland\CBuilder6。则其编译器所在路径应该是C:\Program Files\ Borland\CBuilder6\Bin,在那里你可以找到bcc32.exe文件,输入如下命令,即大功告成了:

bcc32 example2_2.cpp

至于IDE环境下,则可以在新建应用程序的时候,选择控制台向导(Console Wizard)。

现在你可以在你的机器上运行前面的示例程序了。不过,请恕我多嘴,有些细节不得不提请你注意。小心编译器给你留下的陷阱。比如前面第三个程序中有如下这一行代码:

  1. typedef back_insert_iterator< int_vector > back_ins_itr; 

请留意">"前面的空格,最好不要省去。如果你吝惜这点空格所占用的磁盘空间的话,那就太不划算了。其原因还是在于C 编译器本身的缺陷。上述代码,相当于如下代码(编译器做的也正是这样的翻译工作):

  1. typedef back_insert_iterator< vector > back_ins_itr; 

如果你没有加空格的话,编译器会把">>"误认为是单一标识(看起来很像那个数据流输入操作符">>")。为了回避这个难题,C 要求使用者必须在两个右尖括号之间插入空格。所以,你最好还是老老实实照我的话做,以避免不必要的麻烦。不过有趣的是,对于上述那行展开前的代码,在Visual C 里即使你没有加空格,编译器也不会报错。而同样的代码在C Builder中没有那么幸运了。不过,最好还是不要心存侥幸,如果你采用展开后的书写方式,则两个编译器都不会给你留情面了。

好了,请原谅我的絮叨,现在你可以亲身感受一下STL所带给你的真正独特魅力了,祝你好运!

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