C++ wykład 13,14,15 (16/23/30.05.2012) STL

STL STL (ang. Standard Template Library) to standardowa biblioteka wzorców w C++. Wszystkie składniki STL są wzorcami. STL jest rdzeniem biblioteki standardowej C++. Wszystkie identyfikatory w bibliotece standardowej C++ zdefiniowane są w przestrzeni nazw std. Zaleta STL – mnóstwo gotowych szablonów klas pozwalających programować na wyższym poziomie abstrakcji. Wada STL – brak oczywistości (koniecznie czytaj dokumentację)

STL Biblioteka STL składa się z kilku modułów: kontenery (sekwencyjne, asocjacyjne), iteratory (dwukierunkowe, z dostępem swobodnym), algorytmy, a także funktory (obiekty funkcyjne, predykaty), łańcuchy, strumienie.

Pary Szablon struktury pair<> (zdefiniowany w <utility>) umożliwia potraktowanie dwóch wartości jako pojedynczego elementu. Para posiada dwa pola: first i second. Para posiada konstruktor dwuargumentowy oraz domyślny i kopiujący. Pary można porównywać (operatory == i <). Istnieje szablon funkcji make_pair() do tworzenia pary. Przykłady: void f (std::pair<int, const char *>); void g (std::pair<const int, std::string>); … std::pair<int, const char *> p(44,”witaj”); f(p); // wywołuje domyślny konstruktor kopiujący g(p); // wywołuje konstruktor wzorcowy g(std::make_pair(44,”witaj”)); // przekazuje dwie // wartości jako parę z wykorzystaniem konwersji // typów Pary są wykorzystywane w kontenerach map i multimap.

Ograniczenia liczbowe Typy numeryczne posiadają ograniczenia zależne od platformy i są zdefiniowane w szablonie numeric_limits<> (zdefiniowany w <limits>, stałe preprocesora są nadal dostępne w <climits> i <cfloat>). Wybrane składowe statyczne szablonu numeric_limits<>: is_signed, is_integer, is_exact, is_bounded, is_modulo, has_infinity, has_quiet_NaN, min(), max(), epsilon(). Przykłady: numeric_limits<char>::is_signed; numeric_limits<short>::is_modulo; numeric_limits<long>::max(); numeric_limits<float>::min(); numeric_limits<double>::epsilon();

Minimum i maksimum Obliczanie wartości minimalnej oraz maksymalnej: template <class T> inline const T& min (const T &a, const T &b) { return b<a ? b : a; } template <class T> inline const T& max (const T &a, const T &b) { return a<b ? b : a; } Istnieją też wersje tych szablonów z komparatorami (funkcja lub obiekt funkcyjny): template <class T, class C> inline const T& min (const T &a, const T &b, C comp) { return comp(b,a) ? b : a; } template <class T> inline const T& max (const T &a, const T &b, C comp) { return comp(a,b) ? b : a; }

Minimum i maksimum Przykład 1: bool int_ptr_less (int *p, int *q) { return *p<*q; } … int x = 33, y = 44; int *px = &x, *py = &y; int *pmax = std::max(px,py,int_ptr_less); Przykład 2: int i; long l; … l = max(i,l); // BŁĄD // niezgodne typy argumentów l = std::max<long>(i,l); // OK

Zamiana wartości Zamiana dwóch wartości: template <class T> inline void swap (T &a, T &b) { T tmp(a); a = b; b = tmp; } Przykład: int x = 33, y = 44; … std::swap(x,y);

Operatory porównywania Cztery funkcje szablonowe (zdefiniowane w <utility>) na podstawie operatorów == i < definiują operatory porównań !=, <=, >= i >. Funkcje te są umieszczone w przestrzeni nazw std::rel_ops. Przykład: class X { … public: bool operator== (const X &x) const throw(); bool operator< (const X &x) const throw(); … }; … void foo () { using namespace std::rel_ops; X x1, x2; … if (x1!=x2) { … } … }

Kontenery Kontenery służą do przechowywania i zarządzania kolekcjami danych. Rodzaje kontenerów: Kontenery sekwencyjne, gdzie każdy element ma określoną pozycję. Na przykład: vector, deque, list. Kontenery uporządkowane (w tym asocjacyjne), gdzie pozycja elementu zależy od jego wartości. Na przykład: set, multiset, map, multimap.

Elementy kontenerów Elementy kontenerów muszą spełniać wymagania podstawowe: element musi być kopiowalny (konstruktor kopiujący), element musi być przypisywalny (przypisanie kopiujące), element musi być zniszczalny (publiczny destruktor). W pewnych sytuacjach elementy kontenerów muszą spełniać wymagania dodatkowe: konstruktor domyślny (utworzenie niepustego kontenera), operator porównywania == (wyszukiwanie), operator porównywania < (kryterium sortowania).

Semantyka wartości a semantyka referencji Kontenery STL realizują semantykę wartości: tworzą wewnętrzne kopie swoich elementów oraz zwracają kopie tych elementów. Semantykę referencji można zaimplementować samodzielnie za pomocą inteligentnych wskaźników – wskaźniki te mają umożliwiać zliczanie referencji dla obiektów, do których odnoszą się wskaźniki.

Kontenery sekwencyjne – wektory Wektor vector<> (zdefiniowany w <vector>) przechowuje swoje elementy w tablicy dynamicznej. Uzyskujemy szybki dostęp do każdego elementu za pomocą indeksowania. Dołączanie i usuwanie elementów na końcu wektora jest bardzo szybkie, ale wstawienie lub usunięcie elementu ze środka zabiera więcej czasu. Przykład: vector<int> coll; … for (int i=1; i<=6; ++i) coll.push_back(i); … for (int i=0; i<coll.size(); ++i) cout << coll[i] << ’ ’; cout << endl;

Kontenery sekwencyjne – kolejki o dwóch końcach Kolejka o dwóch końcach deque<> (zdefiniowana w <deque>) przechowuje swoje elementy w tablicy dynamicznej, która może rosnąć w dwie strony. Uzyskujemy szybki dostęp do każdego elementu za pomocą indeksowania. Dołączanie i usuwanie elementów na końcu i na początku kolejki jest bardzo szybkie, ale wstawienie lub usunięcie elementu ze środka zabiera więcej czasu. Przykład: deque<float> coll; … for (int i=1; i<=6; ++i) coll.push_front(i*1.234); … for (int i=0; i<coll.size(); ++i) cout << coll[i] << ’ ’; cout << endl;

Kontenery sekwencyjne – listy Lista list<> (zdefiniowana w <list>) przechowuje swoje elementy w liście dwukierunkowej. W listach nie ma swobodnego dostępu do elementów kolekcji. Dołączanie i usuwanie elementów na końcu i na początku listy jest bardzo szybkie, ale dostanie się do elementu ze środka zabiera dużo czasu. Przykład: list<char> coll; … for (char c=’a’; c<=’z’; ++c) coll.push_back(c); … while (!coll.empty()) { cout << coll.front() << ’ ’; coll.pop_front(); } cout << endl;

Kontenery sekwencyjne – łańcuchy i tablice Obiektów klas łańcuchowych, czyli basic_string<>, string i wstring, można używać jak kontenerów sekwencyjnych. Są one podobne w zachowaniu do wektorów. Innym rodzajem kontenera może być tablica. Nie jest to klasa i nie ma żadnych metod ale konstrukcja STL umożliwia uruchamianie na tablicach różnych algorytmów (tak jak na kontenerach).

Kontenery uporządkowane Kontenery uporządkowane wykonują automatycznie sortowanie swoich elementów. Asocjacyjne kontenery uporządkowane przechowują pary klucz-wartość (odpowiednio first i second) i sortowanie następuje po kluczach. Domyślnie elementy lub klucze są porządkowane przy pomocy operatora <. Kontenery uporządkowane są implementowane w postaci zrównoważonych drzew BST (drzewa czerwono-czarne). Wszystkie kontenery uporządkowane posiadają domyślny parametr wzorca służący sortowaniu (domyślnym jest operator <). Rodzaje kontenerów: zbiory set<>, wielozbiory multiset<>, mapy map<> i multimapy multimap<>.

Adaptatory kontenerów Adaptatory kontenerów to kontenery wykorzystujące ogólną strukturę innych kontenerów do realizacji pewnych specyficznych potrzeb. Adaptatorami kontenerów są stosy stack<>, kolejki queue<> i kolejki priorytetowe priority_queue<>.

Iteratory Iterator to specjalny obiekt, który potafi iterować po elementach kolekcji. Iterator ma zaimplementowaną semantykę wskaźnika – posiada operator wyłuskania elementu *, operatory przechodzenia do elementówsąsiednich ++ i -- oraz operatory porównywania pozycji == i !=. Wszystkie kontenery udostępniają funkcje tworzące iteratory do nawigowania po ich elementach – funkcja begin() zwraca iterator wskazujący na pozycję z pierwszym elementem w kolekcji a funkcja end() zwraca iterator wskazujący pozycję za ostatnim elementem. Każdy kontener definiuje dwa typy iteratorów – kontener::iterator przeznaczony do iterowania po elementach z możliwością odczytu i zapisu oraz kontener::const_iterator przeznaczony do iterowania po elementach tylko z możliwością odczytu.

Iteratory Przykład 1: list<char> coll; … list<char>::const_iterator pos; for (pos=coll.begin(); pos!=coll.end(); ++pos) cout << *pos << ’ ’; cout << endl; Przykład 2: list<char> coll; … list<char>::iterator pos; for (pos=coll.begin(); pos!=coll.end(); ++pos) *pos = toupper(*pos);