STL組件之算法(1)

STL提供了大量的模板類和函數，可以在OOP和常規編程中使用。所有的STL的大約50個算法都是完全通用的，而且不依賴於任何特定的數據類型。下面的小節說明了三個基本的STL組件：

1）迭代器提供了訪問容器中對象的方法。例如，可以使用一對迭代器指定list或vector中的一定范圍的對象。迭代器就如同一個指針。事實上，C++的指針也是一種迭代器。但是，迭代器也可以是那些定義了operator*()以及其他類似於指針的操作符地方法的類對象。

2）容器是一種數據結構，如list，vector，和deques ，以模板類的方法提供。為了訪問容器中的數據，可以使用由容器類輸出的迭代器。

3）算法是用來操作容器中的數據的模板函數。例如，STL用sort()來對一個vector中的數據進行排序，用find()來搜索一個list中的對象。函數本身與他們操作的數據的結構和類型無關，因此他們可以在從簡單數組到高度復雜容器的任何數據結構上使用。

函數和函數對象

STL中，函數被稱為算法，也就是說它們和標准C庫函數相比，它們更為通用。STL算法通過重載operator()函數實現為模板類或模板函數。這些類用於創建函數對象，對容器中的數據進行各種各樣的操作。下面的幾節解釋如何使用函數和函數對象。

函數和斷言

經常需要對容器中的數據進行用戶自定義的操作。例如，你可能希望遍歷一個容器中所有對象的STL算法能夠回調自己的函數。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);//調用普通函數  
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);//調用斷言函數  
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);  
} 

所謂斷言函數，就是返回bool值的函數。

函數對象

除了給STL算法傳遞一個回調函數，你還可能需要傳遞一個類對象以便執行更復雜的操作。這樣的一個對象就叫做函數對象。實際上函數對象就是一個類，但它和回調函數一樣可以被回調。例如，在函數對象每次被for_each()或find_if()函數調用時可以保留統計信息。函數對象是通過重載 operator()()實現的。如果TanyClass定義了opeator()(),那麼就可以這麼使用：

TAnyClass object; // Construct object  
object(); // Calls TAnyClass::operator()() function  
for_each(v.begin(), v.end(), object); 

STL定義了幾個函數對象。由於它們是模板，所以能夠用於任何類型，包括C/C++固有的數據類型，如long。有些函數對象從名字中就可以看出它的用途，如plus()和multiplies()。類似的greater()和less-equal()用於比較兩個值。

注意

有些版本的ANSI C++定義了times()函數對象，而GNU C++把它命名為multiplies()。使用時必須包含頭文件<functional>。

一個有用的函數對象的應用是accumulate() 算法。該函數計算容器中所有值的總和。記住這樣的值不一定是簡單的類型，通過重載operator+()，也可以是類對象。

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>());//注意這行  
cout << "Product of values == " << product << endl;  
return 0;  
} 

編譯輸出如下：

$ g++ accum.cpp  
$ ./a.out  
Sum of values == 55  
Product of values == 3628800 

『注意使用了函數對象的accumulate()的用法。accumulate() 在內部將每個容器中的對象和第三個參數作為multiplies函數對象的參數,multiplies(1,v)計算乘積。VC中的這些模板的源代碼如下：

// 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到底是怎麼實現的，最好的辦法是寫個簡單的程序，將程序中涉及到的模板源碼給copy下來，稍作整理，就能看懂了。所以沒有必要去買什麼《STL源碼剖析》之類的書籍，那些書可能反而浪費時間。』

1）發生器函數對象

有一類有用的函數對象是“發生器”(generator)。這類函數有自己的內存，也就是說它能夠從先前的調用中記住一個值。例如隨機數發生器函數。

普通的C程序員使用靜態或全局變量 “記憶”上次調用的結果。但這樣做的缺點是該函數無法和它的數據相分離『還有個缺點是要用TLS才能線程安全』。顯然，使用類來封裝一塊：“內存”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:");  
pinter_to_unary_function<unsigned int, unsigned int>  
ptr_RandInt = ptr_fun(RandInt); // Pointer to RandInt()//注意這行  
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;  
} 

編譯運行結果如下：

$ 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 

首先用下面的語句申明一個對象：

pointer_to_unary_function<unsigned int, unsigned int>  
ptr_RandInt = ptr_fun(RandInt); 

這兒使用STL的單目函數模板定義了一個變量ptr_RandInt，並將地址初始化到我們的函數RandInt()。單目函數接受一個參數，並返回一個值。現在random_shuffle()可以如下調用：

random_shuffle(v.begin(), v.end(), ptr_RandInt); 

在本例子中，發生器只是簡單的調用rand()函數。

關於常量引用的一點小麻煩不翻譯了，VC下將例子中的const去掉）