STL源碼分析學習筆記 之 第一章_STL簡介和版本

第一章 STL概論與版本簡介

1.1 STL概論

爲了複用性的提升，爲了建立數據結構和算法的一套標準，並且降低其間的耦合（coupling）關係以提升各自的獨立性、彈性、交互操作性（interoperability），C++社羣裏面誕生了STL。
STL的價值

• 低層次
  • 一套極具實用價值的零部件
  • 一個整合的組織
• 高層次
  • 以泛型思維（Generic Paradigm）爲基礎、系統化的、條理分明的“軟件組件分類學（componens taxonomy）”
  • 具體敘述了抽象概念並加以系統化

1.1.1 STL的歷史

STL由Alexander Stepanov創造於1979年前後，這也正是Bjarne Stroustrup創造C++的年代。第一個支持泛型概念的語言是Ada。當時C++尚未導入template性質，但C++允許程序員通過指針以極佳彈性處理內存，這一點正是既要求一般化（泛型）又不失效能的一個重要關鍵。
Alexander在AT&T實驗室以及惠普公司的帕羅奧圖實驗室，分別實驗了多種架構和算法公式，先以C完成，而後再以C++完成。1992年Meng Lee加入Alex的項目，成爲STL的另一位主要貢獻者。
貝爾（Bell）實驗室的Andrew Koening於1993年知道這個研究計劃後，邀請Alexander於11月ANSI/ISO C++標準委員會會議上展現其觀念。並於次年夏天的Waterloo（滑鐵盧）會議開幕前，完成正式提案，並以壓倒性多數一舉讓這個巨大的計劃成爲C++標準規格的一部分。

1.1.2 STL與C++標準程序庫

1993年9月，Alexander Stepanov和他一手創建的STL，與C++標準委員會有了第一次接觸。
1994年1月6日Alexander收到Andy Koening（C++標準委員會成員，當時的C++ Standard文件審覈編輯）來信，言明如果希望STL成爲C++標準程序庫的一部分，可於1994年1月25日之前送交一份提案報告到委員會。
1994年3月聖地亞哥會議。STL在會議上取得很好的迴響，但也有反對意見。主要反對意見是C++即將完成最終草案，而STL卻是如此龐大，似乎有點時不我予。
然後就是Waterloo會議，80%贊成20%反對，終於進入C++標準化的正式流程，併成爲1998年9月定案的C++標準規格中的一大派系。原有的C++程序庫，如stream，string等也都以template重新寫過。

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1.2 STL六大組件 功能與運用

STL提供六大組件，彼此可以組合套用：

1. 容器（containers）：各種數據結構，如vector，list，deque，set，map，用來存放數據。從實現的角度來 看，STL容器是一種class template。就體積而言，這一部分很像冰山在海面下的比率。
2. 算法（algorithms）：箇中國常用算法如sort，search，copy，erase……。從實現角度來看，STL算法是一種 function template。
3. 迭代器（iterators）：扮演容器與算法之間的膠合劑，是所謂的“泛型指針”。共有五種類型，以及其他衍生 變化。從實現角度看，迭代器是一種將operator*，operator->，operator++，operater–等指針相關操作予 以重載的class template。所有STL容器都附帶有自己專屬的迭代器。原生指針也是一種迭代器。
4. 仿函數（functors）：行爲類似函數，可作爲算法的某種策略（policy）。從實現的角度來看，仿函數是一種重載了operator（）的class或class template，一般函數指針可視爲狹義的仿函數。
5. 配接器（adapters）： 一種用來修飾容器（containers）或仿函數（functors）或迭代器（iterators）接口的東西。例如STL提供的queue和stack，雖然看似容器，其實只能算是一種容器配接器，因爲它們的底部完全藉助deque，所有操作都由底層的deque供應。
6. 配置器（allocators）：負責空間配置與管理。從實現的角度來看，配置器是一個實現了動態空間配置、空間管理、空間釋放的class template。

由於STL已經成爲C++標準程序庫的大脈系，目前所有C++編譯器一定支持有一份STL，在C++頭文件（headers）中，按照C++ Standard 的規定，所有標準文件都不再有擴展名，某些STL版本同時存在具有擴展名和無擴展名的兩份文件。某些只存在具擴展名的頭文件。某些STL版本不僅有一線裝配，還有二線裝配，例如GNU C++的SGI版本不但有一線的<vector.h>和,還有二線的<stl_vector.h>

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1.3 GNU源代碼的開放精神

全世界所有的STL實現版本，都源於Alexander Stepanov 和 Meng Lee完成的原始版本，這份原始版本由Hewlett-Packard Company（惠普公司）擁有。每一個頭文件都有一份聲明，允許任何人任意運用、拷貝、修改、傳播、販賣這些代碼，無需付費，唯一的條件是必須將該份聲明置於使用者新開發的文件內。
開源精神（open source）源於美國人Richard Stallman（理查德·史託曼）。他於1984年離開麻省理工學院，創立自由軟件基金會（Free Software Foundation，簡稱FSF），寫下著名的GNU宣言（GNU Manifesto）。
GNU這個名稱代表GNU is Not Unix。
GNU計劃中，早期最著名的軟件包括Emacs和GCC，前者是Stallman開發的一個非常靈活的文本編譯器，後者是一個C/C++編譯器。GNU計劃晚近的著名軟件則是1991年由芬蘭人Linus Torvalds開發的Linux操作系統。
GNU以所謂的GPL（General Public License，廣泛開放授權）來保護其成員，甚至被稱爲反版權（copyleft）。
自1999年起，EGCS（Experimental/Enhanced GNU Compiler System）正式成爲唯一的GCC官方維護機構。

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1.4 HP實現版本

屬於open source，但不屬於GNU GPL範疇。

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1.5 P.J.Plauger實現版本

P.J.Plauger版本由P.J.Plauger開發，繼承自HP版本，除了HP版本聲明還加上了P.J.Plauger的個人版權聲明。這個版本不屬於open source範疇，更不是GNU GPL。
P.J.Plauger版本被Virtual C+採用，可以在“include”子目錄下找到所有的STL頭文件，但是不能公開它或修改它或甚至販賣它。

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1.6 Rouge Wave實現版本

被C++ Builder採用，不屬於open source範疇。

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1.7 STLport實現版本

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1.8 SGI STL實現版本

SGI版本被GCC採用，可以在GCC的“include”子目錄下找到所有STL頭文件。

1.8.1 GNU C++ headers文件分佈

共128個文件

1.8.2 SGI STL文件分佈與簡介

• C++標準規範下的C頭文件（無擴展名），例如 cstdio，cstdlib，cstring
• C++標準程序庫中不屬於STL範疇者，例如Stream，string……相關文件。
• STL標準頭文件（無擴展名），例如 vector，deque，list，map，algorithm，functional……
• C++ Standard定案前，HP所規範的STL頭文件，例如 vector.h，deque.h，list.h，map.h，algo.h，functon.h……
• SGI STL 內部文件（STL真正實現於此），例如stl_vector.h，stl_deque.h，stl_list.h,stl_map.h,stl_algo.h,stl_function.h……
  其中後三組頭文件詳細列表於下

（1） STL標準頭文件（無擴展名）

文件名（按字母排序）	本書章節	說明
algorithm		ref.<stl_algorithm.h>
deque		ref.<stl_deque.h>
functional		ref.<stl_function.h>
hash_map		ref.<stl_hash_map.h>
hash_set		ref.<stl_hash_set.h>
iterator		ref.<stl_iterator.h>
list		ref.<stl_list.h>
map		ref.<stl_nap.h>
memory	3.2	定義auto_ptr,幷包含 <stl_algobase.h>, <stl_alloc.h>, <stl_construct.h>, <stl_tempbuf.h>, <stl_uninitialized.h>, <stl_raw_storage_iter.h>
numeric		ref.<stl_numeric.h>
pthread_alloc	N/A	與pthread相關node allocator
queue		ref.<stl_queue.h>
rope		ref.<stl_rope.h>
set		ref.<stlset.h>
slist		ref.<stl_slist.h>
stack		ref.<stl_stack.h>
utility		包含<stl_relops.h>,<stl_pair.h>
vector		ref.<stl_vector.h>

(2) C++ Standard定案前，HP規範的STL文件名（擴展名.h）

文件名(按字母排序)	本書章節	說明
complex.h	N/A	複數,包含<complex> 包含STL標準頭文件 <algorithm>,<br><deque>,<functional>, <iterator>,<list>,<map>, <memory>,<numeric>,<set>, <stack>,<utility>,<vectory>
type_traits.h	3.7	SGI 獨特的type-traits技法
algo.h		ref.<stl_algo.h>
algobase.h		ref.<stl_algobase.h>
alloc.h		ref.<stl_alloc.h>
bvector.h		ref.<stl_bvector.h>
defalloc	2.2.1	標準空間配置器std::allocator, 不建議使用
deque.h		ref.<stl_deque.h>
function.h		ref.<stl_function.h>
hash_map.h		ref.<stl_hash_map.h>
hash_set.h		ref.<stl_hash_set.h>
hashtable.h		ref.<stl_hashtable.h>
heap.h		ref.<stl_heap.h>
iterator.h		ref.<stl_iterator.h>
list.h		ref<stl_list.h>
map.h		ref.<stl_map.h>
multimap.h		ref.<stl_multimap.h>
multiset.h		ref.<stl_multiset.h>
pair.h		ref.<stl_pair.h>
pthread_alloc.h	N/A	#include <pthread_alloc>
rope.h		ref.<stl_rope.h>
set.h		ref.<stl_set.h>
slist.h		ref.<stl_set.h>
stack.h		ref.<stl_stack.h>
tempbuf.h		ref.<stl_tempbuf.h>
tree.h		ref.<stl_tree.h>
vector.h		ref.<stl_vector.h>

(3) SGI STL 內部私用文件（SGI　STL真正實現於此）

文件名（按字母排序）	本書章節	說明
stl_algo.h	6	算法（數值類除外）
stl_algobase.h	6.4	基本算法swap,min,max,copy, copy_backword,copy_n,fill, fill_n,mismath,equal, lexicograph,cal_compare
stl_alloc.h	2	空間配置器std::alloc
stl_bvector.h	N/A	bit_vector(類似標準的bitset)
stl_config.h	1.9.1	針對各家編譯器特性定義各種環節變量
stl_construct.h	2.2.3	構造/析構基本工具 (construct(),destroy())
stl_deque.h	4.4	deque(雙向開口的queue)
stl_function.h	7	函數對象（function object） 或稱仿函數（functor）
stl_hash_fun.h	5.6.7	hash function
stl_hash_map.h	5.8	以hast-table完成之map，multimap
stl_hash_set.h	5.7	以hast-table完成之set，multiset
stl_hashtable.h	5.6	hast-table(雜湊表)
stl_iterator.h	3.8.4 8.5	迭代器及其相關配接器，並定義迭代器 常用函數advance（），distance（）
stl_list.h	4.3	list(串行，雙向)
stl_map.h	5.3	map(映象表)
stl_multimap.h	5.5	multi-map(多鍵映象表)
stl_multiset.h	5.4	multi-set(多鍵集合)
stl_numeric.h	6.3	數值類算法：accumulate， inner_product,partial_sum, adjacent_difference,power, iota
stl_pair.h	5.4	pair(成對組合)
stl_queue.h	4.6	queue(隊列)
stl_raw_storage_iter.h	N/A	定義raw_storage_iterator (一種 OutputIterator)
stl_rope.h	N/A	大型（巨量規模）的字符串
stl_set.h	5.2	set(集合)
stl_slist.h	4.9	single list（單向串行）
stl_stack.h	4.5	stack(堆棧)
stl_tempbuf.h	N/A	定義temporary_buffer class, 應用於<stl_algo.h>
stl_tree.h	5.1	Red Black tree(紅黑樹)
stl_uninitialized.h	2.3	內存管理基本工具: uninitialized_copy, uninitialized_fill, uninitialized_fill_n.
stl_vector.h	4.2	vector(向量)

1.8.3 SGI STL的編譯器組態設置（configuration）

不同的編譯器對C++語言的支持程度不同，準備了一個環境組態文件<stl_config.h>,其中定義了許多常量來標示某些組態成立與否。所有STL頭文件都會包含這個組態文件，並以條件寫法讓預編譯器根據常量取捨哪一段程序代碼。