条款49: 熟悉标准库

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2023-12-01

条款49: 熟悉标准库

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（参见条款28）。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，转到条款2，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（参见条款10）。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）：

namespace std {

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

typedef basic_string<char> string;

}

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，条款34指出，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（参见条款M29），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，条款6和11）。

· 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 ---- 条款M35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：

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---- 参见条款M35）。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，可以在条款39和M35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。