侯捷 GP与STL

侯捷觀點（系列書評 2/2）【Genericity/STL 大系】《程序員》2001.02 作者簡介：侯捷，臺灣電腦技術作家，著譯評兼擅。

常著文章自娛，頗示己志。

個人網站：北京鏡站：/expert/jjhou如果有一項技術，可以讓你的程式碼處理各種不同的資料型別，甚至是目前未知的資料型別，你喜歡嗎？我會欣喜若狂。

基本上這就是「可復用性（reusibility）」的表現。

當我們有新的資料型態產生，而過去完成的碼完全無需修改即可沿用，不正是一種完美的「可復用性」嗎？物件導向技術中的多型（polymorphism），以及泛型技術中的泛型（genericity）都可以達到這個目標。

它們的字義，也明白標示出其特色。

對大多數人而言，polymorphism（多型技術）早已如雷灌耳，genericity（泛型技術）則稍感陌生。

這是一個你有必要儘快進入的重要領域。

●勤前教育數年前我第一次接觸泛型程式設計（generic programming）與 STL（Standard Template Library）的時候，就深深被它吸引。

雖然那時候我還不怎麼瞭解 STL 裡頭一大堆的術語像是 container、iterator、adaptor、function object、allocator…。

甚至連泛型技術深度依賴的基本技法 C++ template，當時的我都還只一知半解，但光只「泛型」這兩個字就夠把我吸引到那個世界裡面了。

但願我這麼說不至於誤導你把泛型程式設計和 STL 劃上等號。

泛型概念濫觴於Doug McIlroy 於 1968 年發表的一篇著名論文 "Mass Produced Software Components"，那篇論文提出了 "reusable components"（可復用軟體組件，又稱為軟體積木或軟體 IC）的願景。

過去數十年中，泛型技術仍屬於研究單位中的驕客，實作產品付之闕如。

直到 C++ 不斷加強 template 機制，並將Alexander Stepanov 創作的 STL 納入標準，泛型技術才終於在標準資料結構和標準演算法領域中有一套可被大眾運用的實作品出現，向現實跨一大步。

讓我們先複習一下。

下面是多型的標準形式：void func(Shape* ps) // Shape 是某個class 繼承體系的基礎類別{// ...ps->draw(); // draw() 是個虛擬函式(virtual function)}func() 的呼叫者可以自由傳入 Shape 繼承體系下任何一個 Shape 衍生類別的物件指標，func() 函式所喚起的將是實際傳入之物件（指標）所對應的那個draw() 虛擬函式。

這種寫法所帶來的好處是，即使將來 Shape 繼承體系衍生出前所未見的子型別，只要該子型別本身提供了 draw() 虛擬函式，上面這個func() 就完全不必更改，可繼續使用。

那麼，泛型又是什麼呢？簡單地說，這是一種「將資料型別參數化」的思維模式。

C++ 的 template 機制就是泛型技術的一個具體載具。

在 C++ 中，不論functions 或是 classes，皆可將其中所需要的資料型別以一個保留器（placeholder）代表，這個保留器亦即所謂的template 參數。

例如 function template：template<typename T1, typename T2)void func(T1 param1, T2 param2) { /* ... */ }或是 class template：template<typename T1, typename T2)class A { /* ... */ }從此，一旦程式中使用上述的 func() 或 class A，例如：func(5, 2.3);A<int, double> a;編譯器即根據 function template 的函式引數（上例的 5 和 2.3），或根據被我們明白標示出來的 class template 引數（上例的 int 和 double），自動推導出一份 function 實體或 class 實體。

這個所謂的具現化動作（instantiation）在編譯期就完成，不會增加執行期的成本。

關於 template 的詳細語法與性能，請參考任何一本完備的 C++ 百科型書籍。

以上這種「將資料型別參數化，再由編譯器視使用當時的情況，為我們完成實體具現化」的概念，即是泛型的實際展現。

template 是 C++ 語言中支援泛型概念的一個工具，而 STL 則是泛型概念的一套實作品。

從學理上來說，STL 其實是一套嚴謹的 "concepts" 分類學。

這裡所謂的concepts有其嚴謹定義，意指「對某種型別的某些條件需求」。

滿足這些條件之型別，稱為該concept的一個model。

舉個例子，如果我們能夠複製型別為 T 之物件，並可以將數值指派給 T 型別的變數身上，那麼型別 T 便符合Assignable這一concept，而 T 便是Assignable的一個model。

STL 的六大組件 containers, algorithms, iterators, function objects, allocators, adaptors, 全都是concepts，實作品如 vector, list, sort(), swap() 等等 templates, ... 全都是model s。

這樣的學理概念，對大部份人勿寧是不可承受之重。

大部份人只著眼 STL 的實用性，因為 STL 非常好用，彈性非常大，執行效率也很理想，可大幅提昇軟體開發效率。

從實作的角度來看，以各種方式完成，符合 STL concepts 需求之各種 C++ classes 和 C++ functions，就是大家一般印象中的 STL，它們實際存在於各個相應的含入檔中，如 <vector>,<functional>, <algorithms>.●剖析 STL任何學習，如果直接從抽象思維開始，對大部份人是一件困難的工作。

通常我們需要一個具體可操作的東西，慢慢再由具象操作轉為抽象思考。

那麼，先學會使用 STL，應該是學習泛型思維的最好途徑。

事實上，自從 STL 以及整個 C++ 標準程式庫定案之後，很多專家，包括 Bjarne Stroustrup，都認為 C++ 程式語言的教學，首先應從如何使用標準程式庫（含 STL）開始。

我當然無法在這篇文章中告訴你 STL 乃至整個標準程式庫的用法。

但是我可以給你一些概念，讓你知道 STL 的架構。

STL 是一個完全以 template 技術完成的程式庫。

它構成了 C++ 標準程式庫的絕大部份骨幹—粗略估計應該佔 80% 以上的面積。

STL 有六大組件（components）：1 containers（容器），各種基本資料結構如 vector, list, deque, set, map…，共約 11 種。

其中有些亦被歸類為 adaptors。

2 algorithms（演算法），各種基本演算法如 sort, search, copy, erase…，共約 70 個。

3 iterators（迭代器）：應用於容器與演算法身上的一種泛型指標，扮演兩者間的膠著劑。

[Gamma95]對於 iterator 這種設計樣式（design pattern）的定義是：提供一種方法，俾得依序巡訪某個聚合物件（容器）所含的各個元素，而又不需曝露該聚合物件的內部表述方式。

STL 共提供了五種 iterators 型態，以及各種衍生變化。

Iterator 是 STL 中最重要最抽象的一個組件，它使容器與演算法可以各自獨立發展，這是一種突破性的觀念。

不論就實作技術或抽象觀念，iterator 都是 STL 中最關鍵的成份。

瞭解了 iterators，也就進入了 STL 的大門。

4 function object：行為類似 function，但其實是一種 object。

以實作技術而言，這是一個改寫了 "call operator" 的 class。

STL 提供 15 個現成的function objects。

5 adaptors（調適器）：用來改變（修飾）其他組件的介面。

[Gamma95]對於adaptor 這種設計樣式（design pattern）的定義是：將一個 class 的介面轉換為另一個 class 的介面，使原本因介面不相容而不能合作的 classes，可以一起運作。

在 STL 中，改變 function object 介面者，稱為 function adaptor，改變 container 介面者，稱為 container adaptor。

改變 iterator 介面者，稱為 iterator adaptor。

例如 STL 提供的兩個容器 queue 和 stack，其實都只不過是 adaptor，修飾了 deque 的介面而成就出另一種容器風貌。

6 allocator（記憶體配置器）：容器空間配置系統。

STL 提供有現成的allocator。

下面這個例子，用上了 STL 的所有六種組件，目的是找出某個數列之中數值大於 40 的元素個數，答案為 4。

從這個例子，你可以看到 STL 不同組件間的接合，發展到了一個怎樣靈活的程度，像樂高積木一樣，有無限可能。

#include <algorithm>#include <functional>#include <vector>#include <iostream>using namespace std;int main(){int ia[ ] = { 27, 210, 12, 47, 109, 83, 40 };vector<int, allocator<int> > vec( ia, ia+7 );cout << count_if(vec.begin(), vec.end(),not1(bind2nd(less_equal<int>(), 40)));return 0;}// vector 是一個STL 容器// count_if 是一個STL 演算法// not1 和bind2nd 都是STL function adaptors// less_equal<> 是一個STL function object// allocator<> 是一個STL 記憶體配置器// vec.begin() 和vec.end() 分別傳回兩個iterator，指向容器vec 的頭尾。