C++標準庫和標準模板庫【轉】
(轉自:https://blog.csdn.net/rl529014/article/details/51154798)
C++強大的功能來源於其豐富的類庫及庫函式資源。C++標準庫的內容總共在50個標準標頭檔案中定義。
在C++開發中,要儘可能地利用標準庫完成。這樣做的直接好處包括:
(1)成本:已經作為標準提供,何苦再花費時間、人力重新開發呢;
(2)質量:標準庫的都是經過嚴格測試的,正確性有保證;
(3)效率:關於人的效率已經體現在成本中了,關於程式碼的執行效率要相信實現標準庫的大牛們的水平;
(4)良好的程式設計風格:採用行業中普遍的做法進行開發。
一、C++標準庫
C++標準庫的內容分為10類,
分別是:C1.語言支援;C2.輸入/輸出;C3.診斷;C4.一般工具;C5.字串;C6.容器;C7.迭代器支援;C8.演算法;C9.數值操作;C10.本地化。
C1. 標準庫中與語言支援功能相關的標頭檔案(11個)
標頭檔案 |
描 述 |
<cstddef> |
定義巨集NULL和offsetof,以及其他標準型別size_t和ptrdiff_t。與對應的標準C標頭檔案的區別是,NULL是C++空指標常量的補充定義,巨集offsetof接受結構或者聯合型別引數,只要他們沒有成員指標型別的非靜態成員即可。 |
<limits> |
提供與基本資料型別相關的定義。例如,對於每個數值資料型別,它定義了可以表示出來的最大值和最小值以及二進位制數字的位數。 |
<climits> |
提供與基本整數資料型別相關的C樣式定義。這些資訊的C++樣式定義在<limits>中 |
<cfloat> |
提供與基本浮點型資料型別相關的C樣式定義。這些資訊的C++樣式定義在<limits>中 |
<cstdlib> |
提供支援程式啟動和終止的巨集和函式。這個標頭檔案還聲明瞭許多其他雜項函式,例如搜尋和排序函式,從字串轉換為數值等函式。它與對應的標準C標頭檔案stdlib.h不同,定義了abort(void)。abort()函式還有額外的功能,它不為靜態或自動物件呼叫解構函式,也不呼叫傳給atexit()函式的函式。它還定義了exit()函式的額外功能,可以釋放靜態物件,以註冊的逆序呼叫用atexit()註冊的函式。清除並關閉所有開啟的C流,把控制權返回給主機環境。 |
<new> |
支援動態記憶體分配 |
<typeinfo> |
支援變數在執行期間的型別標識 |
<exception> |
支援異常處理,這是處理程式中可能發生的錯誤的一種方式 |
<cstdarg> |
支援接受數量可變的引數的函式。即在呼叫函式時,可以給函式傳送數量不等的資料項。它定義了巨集va_arg、va_end、va_start以及va_list型別 |
<csetjmp> |
為C樣式的非本地跳躍提供函式。這些函式在C++中不常用 |
<csignal> |
為中斷處理提供C樣式支援 |
C2. 支援流輸入/輸出的標頭檔案(11個)
標頭檔案 |
描 述 |
<iostream> |
支援標準流cin、cout、cerr和clog的輸入和輸出,它還支援多位元組字元標準流wcin、wcout、wcerr和wclog。 |
<iomanip> |
提供操縱程式,允許改變流的狀態,從而改變輸出的格式。 |
<ios> |
定義iostream的基類 |
<istream> |
為管理輸出流快取區的輸入定義模板類 |
<ostream> |
為管理輸出流快取區的輸出定義模板類 |
<sstream> |
支援字串的流輸入輸出 |
<fstream> |
支援檔案的流輸入輸出 |
<iosfwd> |
為輸入輸出物件提供向前的宣告 |
<streambuf> |
支援流輸入和輸出的快取 |
<cstdio> |
為標準流提供C樣式的輸入和輸出 |
<cwchar> |
支援多位元組字元的C樣式輸入輸出 |
C3. 與診斷功能相關的標頭檔案(3個)
標頭檔案 |
描 述 |
<stdexcept> |
定義標準異常。異常是處理錯誤的方式 |
<cassert> |
定義斷言巨集,用於檢查執行期間的情形 |
<cerrno> |
支援C樣式的錯誤資訊 |
C4. 定義工具函式的標頭檔案(4個)
標頭檔案 |
描 述 |
<utility> |
定義過載的關係運算符,簡化關係運算符的寫入,它還定義了pair型別,該型別是一種模板型別,可以儲存一對值。這些功能在庫的其他地方使用 |
<functional> |
定義了許多函式物件型別和支援函式物件的功能,函式物件是支援operator()()函式呼叫運算子的任意物件 |
<memory> |
給容器、管理記憶體的函式和auto_ptr模板類定義標準記憶體分配器 |
<ctime> |
支援系統時鐘函式 |
C5. 支援字串處理的標頭檔案(6個)
標頭檔案 |
描 述 |
<string> |
為字串型別提供支援和定義,包括單位元組字串(由char組成)的string和多位元組字串(由wchar_t組成) |
<cctype> |
單位元組字元類別 |
<cwctype> |
多位元組字元類別 |
<cstring> |
為處理非空位元組序列和記憶體塊提供函式。這不同於對應的標準C庫標頭檔案,幾個C樣式字串的一般C庫函式被返回值為const和非const的函式對替代了 |
<cwchar> |
為處理、執行I/O和轉換多位元組字元序列提供函式,這不同於對應的標準C庫標頭檔案,幾個多位元組C樣式字串操作的一般C庫函式被返回值為const和非const的函式對替代了。 |
<cstdlib> |
為把單位元組字串轉換為數值、在多位元組字元和多位元組字串之間轉換提供函式 |
C6. 定義容器類的模板的標頭檔案(8個)
標頭檔案 |
描 述 |
<vector> |
定義vector序列模板,這是一個大小可以重新設定的陣列型別,比普通陣列更安全、更靈活 |
<list> |
定義list序列模板,這是一個序列的連結串列,常常在任意位置插入和刪除元素 |
<deque> |
定義deque序列模板,支援在開始和結尾的高效插入和刪除操作 |
<queue> |
為佇列(先進先出)資料結構定義序列介面卡queue和priority_queue |
<stack> |
為堆疊(後進先出)資料結構定義序列介面卡stack |
<map> |
map是一個關聯容器型別,允許根據鍵值是唯一的,且按照升序儲存。multimap類似於map,但鍵不是唯一的。 |
<set> |
set是一個關聯容器型別,用於以升序方式儲存唯一值。multiset類似於set,但是值不必是唯一的。 |
<bitset> |
為固定長度的位序列定義bitset模板,它可以看作固定長度的緊湊型bool陣列 |
C7. 支援迭代器的標頭檔案(1個)
標頭檔案 |
描 述 |
<iterator> |
給迭代器提供定義和支援 |
C8. 有關演算法的標頭檔案(3個)
標頭檔案 |
描 述 |
<algorithm> |
提供一組基於演算法的函式,包括置換、排序、合併和搜尋 |
<cstdlib> |
宣告C標準庫函式bsearch()和qsort(),進行搜尋和排序 |
<ciso646> |
允許在程式碼中使用and代替&& |
C9. 有關數值操作的標頭檔案(5個)
標頭檔案 |
描 述 |
<complex> |
支援複雜數值的定義和操作 |
<valarray> |
支援數值向量的操作 |
<numeric> |
在數值序列上定義一組一般數學操作,例如accumulate和inner_product |
<cmath> |
這是C數學庫,其中還附加了過載函式,以支援C++約定 |
<cstdlib> |
提供的函式可以提取整數的絕對值,對整數進行取餘數操作 |
C10. 有關本地化的標頭檔案(2個)
標頭檔案 |
描 述 |
<locale> |
提供的本地化包括字元類別、排序序列以及貨幣和日期表示。 |
<clocale> |
對本地化提供C樣式支援 |
C++標準庫的所有標頭檔案都沒有副檔名。C++標準庫以<cname>形式的標準標頭檔案提供。
在 <cname>形式標準的標頭檔案中,與巨集相關的名稱在全域性作用域中定義,其他名稱在std名稱空間中宣告。
在C++中還可以使用name.h形式的標準C庫標頭檔案名。在這10類標頭檔案中,<cstdlib>標頭檔案分別在C5/C8/C9中出現了。
STL(Standard Template Library,標準模板庫)是惠普實驗室開發的一系列軟體的統稱。現然主要出現在C++中,但在被引入C++之前該技術就已經存在了很長的一段時間。
STL的程式碼從廣義上講分為三類:algorithm(演算法)、container(容器)和iterator(迭代器),幾乎所有的程式碼都採用了模板類和模版函式的方式,這相比於傳統的由函式和類組成的庫來說提供了更好的程式碼重用機會。
在C++標準中,STL被組織為下面的13個頭檔案:
<algorithm>、<deque>、<functional>、<iterator>、<vector>、<list>、<map>、<memory>、<numeric>、<queue>、<set>、<stack>和<utility>。
1、演算法
函式庫對資料型別的選擇和對其可重用性起著至關重要的作用。舉例來說,一個求方根的函式,在使用浮點數作為其引數型別的情況下的可重用性肯定比使用整型作為它的引數類性要高。
而C++通過模板的機制允許推遲對某些型別的選擇,直到真正想使用模板或者說對模板進行特化的時候,STL就利用了這一點提供了相當多的有用演算法。
它是在一個有效的框架中完成這些演算法的,可以將所有的型別劃分為少數的幾類,然後就可以在模版的引數中使用一種型別替換掉同一種類中的其他型別。
STL提供了大約100個實現演算法的模版函式,比如演算法for_each將為指定序列中的每一個元素呼叫指定的函式,stable_sort以你所指定的規則對序列進行穩定性排序等等。
這樣一來,只要熟悉了STL之後,許多程式碼可以被大大的簡化,只需要通過呼叫一兩個演算法模板,就可以完成所需要的功能並大大地提升效率。
演算法部分主要由標頭檔案<algorithm>,<numeric>和<functional>組成。<algorithm>是所有STL標頭檔案中最大的一個(儘管它很好理解),
它是由一大堆模版函式組成的,可以認為每個函式在很大程度上都是獨立的,其中常用到的功能範圍涉及到比較、交換、查詢、遍歷操作、複製、修改、移除、反轉、排序、合併等等。
<numeric>體積很小,只包括幾個在序列上面進行簡單數學運算的模板函式,包括加法和乘法在序列上的一些操作。<functional>中則定義了一些模板類,用以宣告函式物件。
2、容器
在實際的開發過程中,資料結構本身的重要性不會遜於操作於資料結構的演算法的重要性,當程式中存在著對時間要求很高的部分時,資料結構的選擇就顯得更加重要。
經典的資料結構數量有限,但是我們常常重複著一些為了實現向量、連結串列等結構而編寫的程式碼,這些程式碼都十分相似,只是為了適應不同資料的變化而在細節上有所出入。
STL容器就為我們提供了這樣的方便,它允許我們重複利用已有的實現構造自己的特定型別下的資料結構,通過設定一些模版類,
STL容器對最常用的資料結構提供了支援,這些模板的引數允許我們指定容器中元素的資料型別,可以將我們許多重複而乏味的工作簡化。
容器部分主要由標頭檔案<vector>,<list>,<deque>,<set>,<map>,<stack>和<queue>組成。對於常用的一些容器和容器介面卡(可以看作由其它容器實現的容器),
可以通過下表總結一下它們和相應標頭檔案的對應關係。
資料結構 |
描述 |
實現標頭檔案 |
向量(vector) |
連續儲存的元素 |
<vector> |
列表(list) |
由節點組成的雙向連結串列,每個結點包含著一個元素 |
<list> |
雙佇列(deque) |
連續儲存的指向不同元素的指標所組成的陣列 |
<deque> |
集合(set) |
由節點組成的紅黑樹,每個節點都包含著一個元素,節點之間以某種作用於元素對的謂詞排列,沒有兩個不同的元素能夠擁有相同的次序 |
<set> |
多重集合(multiset) |
允許存在兩個次序相等的元素的集合 |
<set> |
棧(stack) |
後進先出的值的排列 |
<stack> |
佇列(queue) |
先進先出的執的排列 |
<queue> |
優先佇列(priority_queue) |
元素的次序是由作用於所儲存的值對上的某種謂詞決定的的一種佇列 |
<queue> |
對映(map) |
由{鍵,值}對組成的集合,以某種作用於鍵對上的謂詞排列 |
<map> |
多重對映(multimap) |
允許鍵對有相等的次序的對映 |
<map> |
3、迭代器
迭代器從作用上來說是最基本的部分,可是理解起來比前兩者都要費力一些。軟體設計有一個基本原則,所有的問題都可以通過引進一個間接層來簡化,這種簡化在STL中就是用迭代器來完成的。
概括來說,迭代器在STL中用來將演算法和容器聯絡起來,起著一種黏和劑的作用。
幾乎STL提供的所有演算法都是通過迭代器存取元素序列進行工作的,每一個容器都定義了其本身所專有的迭代器,用以存取容器中的元素。
迭代器部分主要由標頭檔案<utility>,<iterator>和<memory>組成。<utility>是一個很小的標頭檔案,它包括了貫穿使用在STL中的幾個模板的宣告,
<iterator>中提供了迭代器使用的許多方法,而對於<memory>的描述則十分的困難,它以不同尋常的方式為容器中的元素分配儲存空間,
同時也為某些演算法執行期間產生的臨時物件提供機制,<memory>中的主要部分是模板類allocator,它負責產生所有容器中的預設分配器。
三、C++標準庫與STL的關係
STL是最新的C++標準函式庫中的一個子集,這個龐大的子集佔據了整個庫的大約80%的分量。而作為在實現STL過程中扮演關鍵角色的模板則充斥了幾乎整個C++標準函式庫。
C++標準函式庫為C++程式設計師們提供了一個可擴充套件的基礎性框架。我們從中可以獲得極大的便利,同時也可以通過繼承現有類,自己編制符合介面規範的容器、演算法、迭代子等方式對之進行擴充套件。
C++標準庫是std名字空間中的所有內容,就是那些不帶.h的標頭檔案,如<cstdio>、<iostream>等。如std::string,及IO流都不屬於STL,
但它們是STL相容的,可以應用迭代器,演算法等。雖然std::string和IO流也是模板類,但並不屬於STL。