泛型编程与设计新思维的详细介绍

泛型编程与设计新思维之一

徐景周

前言

永远记住，编写代码的宗旨在于简单明了，不要使用语言中的冷僻特性，耍小聪明，重要的是编写你理解的代码，理解你编写的代码，这样你可能会做的更好。

--- Herb Sutter

1998年，国际C++标准正式通过，标准化对C++最重要的贡献是：对“强大的抽象概念”给于更有力的支持，以降低软件的复杂度，C++提供了二种功能强大的抽象方法：面向对象编程与泛型编程。面向对象编程大家一定很熟悉了，这里就不再哆嗦了。提到泛型编程(Generic Programming)，有的人可能还不太熟悉，但是提到STL，你就一定会有所耳闻了。STL(Standard Template Library，标准模板库) 其实就是泛型编程的实现品，STL是由Alexander Stepanov(STL之父)、David R Musser和Meng Lee三位大师共同发展，于1994年被纳入C++标准程序库。STL虽然加入C++标准库的时间相对较晚，但它却是C++标准程序库中最具革命性的部分，同时也是C++标准程序库中最重要的组成部分。由于新的C++标准库中几乎每一样东西都是由模板(Template)构成的，当然，STL也不会例外。所以，在这里有必要先概要说明一下模板的有关概念。

模板概念

通过使用模板可以使程序具有更好的代码重用性。记住，模板是对源代码进行重用，而不是通过继承和组合重用对象代码，当用户使用模板时，参数由编译器来替换。模板由类模板和函数模板二部分组成，以所处理的数据类型的说明作为参数的类就叫类模板，而以所处理的数据类型的说明作为参数的函数叫做函数模板。模板参数可以由类型参数或非类型参数组成，类型参数可用class和typename关键字来指明，二者的意义相同，都表示后面的参数名代表一个潜在的内置或用户定义的类型，非类型参数由一个普通参数声明构成。下面是类模板和函数模板的简单用法：

template<class T1, int Size>

class Queue // 类模板，其中T1为类型参数，Size为非类型参数

{

public:

explicit Queue():size_(Size){}; // 显式构造，避免隐式转换

……

template<class T2> void assign(T2 first,T2 last); // 内嵌函数模板

private:

T* temp_;

int size_;

}

// 类模板中内嵌函数模板Compare的外围实现(如在Queue类外实现)

template<class T1,int Size> template<class T2>

void Queue<T1,Size>::assign (T2 first,T2 last) {};

// 模板的使用方法

int ia[4] = {0,1,2,3};

Queue<int, sizeof(ia)/sizeof(int)> qi;

qi.assign(ai,ai+4);

泛型编程

泛型编程和面向对象编程不同，它并不要求你通过额外的间接层来调用函数，它让你编写完全一般化并可重复使用的算法，其效率与针对某特定数据类型而设计的算法相同。泛型编程的代表作品STL是一种高效、泛型、可交互操作的软件组件。所谓泛型(Genericity)，是指具有在多种数据类型上皆可操作的含意，与模板有些相似。STL巨大，而且可以扩充，它包含很多计算机基本算法和数据结构，而且将算法与数据结构完全分离，其中算法是泛型的，不与任何特定数据结构或对象类型系在一起。STL以迭代器(Iterators)和容器(Containers)为基础，是一种泛型算法(Generic Algorithms)库，容器的存在使这些算法有东西可以操作。STL包含各种泛型算法(algorithms)、泛型指针(iterators)、泛型容器(containers)以及函数对象(function objects)。STL并非只是一些有用组件的集合，它是描述软件组件抽象需求条件的一个正规而有条理的架构。

迭代器(Iterators)是STL的核心，它们是泛型指针，是一种指向其他对象(objects)的对象，迭代器能够遍历由对象所形成的区间(range)。迭代器让我们得以将容器(containers)与作用其上的算法(algorithms)分离，大多数的算法自身并不直接操作于容器上，而是操作于迭代器所形成的区间中。迭代器一般分为五种：Input Iterator、Output Iterator、Forward Iterator、Bidirections Iterator和Random Access Iterator。Input Iterator就象只从输入区间中读取数据一样，具有只读性，属于单向移动，如STL中的istream_iterator。Output Iterator刚好相反，只写出数据到输出区间中，具有只写性，属于单向移动，如STL中的ostream_iterator。Forward Iterator也属于单向移动，但不同之处是它同时具有数据读、写性。Bidirections Iterator如名称暗示，支持双向移动，不但可以累加(++)取得下一个元素，而且可以递减(--)取前一个元素，支持读、写性。Random Access Iterator功能最强，除了以上各迭代器的功能外，还支持随机元素访问(p+=n)，下标(p[n])、相减(p1-p2)及前后次序关系(p1<p2)等。Input Iterator和Output Iterator属于同等最弱的二种迭代器，Forward Iterator是前二者功能的强化(refinement)，Bidirections Iterator又是Forward Iterator迭代器的强化，最后Random Access Iterator又是Bidirections Iterator迭代器的强化。如下简单示例展示Input Iterator、Forward Iterator、Bidirections Iterator和Radom Access Iterator迭代器的功能（其中input_iterator_tag等带tag字符串为各不同迭代器的专属标识）：

1、InputIterator

template<class InputIterator, class Distance>

void advance(InputIterator& i, Distance n, input_iterator_tag)

{

for(; n>0; --n,++i){} // InputIterator具有++性

}

2、ForwardIterator

template<class ForwardIterator, class Distance>

void advance(ForwardIterator& i, Distance n,forward_iterator_tag)

{

advance(i, n, input_iterator_tag());

}

3、BidirectionalIterator

template<class BidirectionalIterator, class Distance>

void advance(BidirectionalIterator& i, Distance n, bidirectional_iterator_tag)

{

if(n>=0) // 具有++、--性

for(; n>0; --n,++i){}

else

for(; n>0; ++n,--i){}

}

4、RandomAccessIterator

template<class RandomAccessIterator, class Distance>

void advance(RandomAccessIterator& i, Distance n, random_access_iterator_tag)

{

i += n; // 具有++、--、+=等性

}

函数对象(Function object)也称仿函数(Functor)，是一种能以一般函数调用语法来调用的对象，函数指针(Function pointer)是一种函数对象，所有具有operator()操作符重载的成员函数也是函数对象。函数对象一般分为无参函数(Generator)，单参函数(Unary Function)和双参函数(Binary Function)三种形式，它们分别能以f()、f(x)和f(x,y)的形式被调用，STL定义的其他所有函数对象都是这三种概念的强化。如下简单示例展示几种形式的实现：

1、无参(Generator)形式

struct counter

{

typedef int result_type;

counter(result_type init=0):n(init){}

result_type operator() { return n++;}

result_type n;

}

2、单参(Unary Function)形式

template<class Number> struct even // 函数对象even，找出第一个偶数

{

bool operator()(Number x) const {return (x&1) == 0;}

}

// 使用算法find_if在区间A到A+N中找到满足函数对象even的元素

int A[] = {1,0,3,4};

const int N=sizeof(A)/sizeof(int);

find_if(A,A+N, even<int>());

3、双参(Binary Function)形式

struct ltstr

{

bool operator()(const char* s1, const char* s2) const

{ return strcmp(s1<s2) < 0;}

};

// 使用函数对象ltstr，输出set容器中A和B的并集

const int N=3

const char* a[N] = {“xjz”,”xzh”,”gh”};

const char* b[N]= {“jzx”,”zhx”,”abc”};

set<const char*,ltstr> A(a,a+N);

set<const char*,ltstr> B(b,b+N);

set_union(A.begin(),A.end(),B.begin(),B.end(), ostream_iterator<const char*>(cout,” “), ltstr());

容器(container)是一种对象(object)，可以包含并管理其它的对象，并提供迭代器(iterators)用以定址其所包含之元素。根据迭代器种类的不同，容器也分为几中，以Input Iterator为迭代器的一般container，以Forward Iterator为迭代器的Forward Container，以Bidirectional Iterator 为迭代器的Reversible Container，以Random Access Iterator为迭代器的Random Access Container。STL定义二种大小可变的容器：序列式容器(Sequence Container)和关联式容器(Associative Container)序列式容器包括vector、list和deque，关联式容器包括set、map、multiset和multimap。以下示例简单说明部分容器的使用：

1、vector使用

// 将A中以元素5为分割点，分别排序，使排序后5后面的元素都大于5之前的元素(后区间不排序)，然后输出

int main()

{

int A[] = {7,2,6,4,5,8,9,3,1};

const int N=sizeof(A)/sizeof(int);

vector<int> V(A,A+N);

partial_sort(V,V+5,V+N);

copy(V,V+N,ostream_iterator<int>(cout,” “));

cout << endl;

}

输出可能是：1 2 3 4 5 8 9 7 6

2、list使用

// 产生一空list，插入元素后排序，然后输出

int main()

{

list<int> L1;

L1.push_back(0);

L1.push_front(1);

L1.insert(++L1.begin,3);

L1.sort();

copy(L1.begin(),L1.end(),ostream_iterator<int>(cout,” “));

}

输出：0 1 3

3、deque使用

int main()

{

deque<int> Q;

Q.push_back(3);

Q.push_front(1);

Q.insert(Q.begin()+1,2);

Copy(Q.begin(),Q.end(),ostream_iterator<int>(cout,” “));

}

输出：1 2 3

4、map使用

int main()

{

map<string,int> M;

M.insert(make_pair(“A”,11);

pair<map<string,int>::iterator, bool> p = M.insert(make_pair(“C”,5));

if(p.second)

cout << p.first->second<<endl;

}

输出：5

5、multiset使用

int main()

{

const int N = 5;

int a[N] = {4,1,1,3,5};

multiset<int> A(a,a+N);

copy(A.begin(),A.end(),ostream_iterator<int>(cout,” “));

}

输出：1 1 3 4 5