Помоги проекту - поделись книгой:
Эффективное использование STL
Предисловие
«...На нем не было ленточки! Не было ярлыка! Не было коробки и не было мешка!»
Я впервые написал о STL (Standard Template Library) в 1995 году. Моя книга «More Effective С++» завершалась кратким обзором библиотеки. Но этого оказалось недостаточно, и вскоре я начал получать сообщения с вопросом, когда будет написана книга «Effective STL».
Несколько лет я сопротивлялся этой идее. Сначала я не обладал достаточным опытом программирования STL и не считал возможным давать советы. Но время шло, и на смену этой проблеме пришли другие. Бесспорно, появление библиотеки означало прорыв в области эффективной масштабируемой архитектуры, но в области
Затем я заметил нечто удивительное. Несмотря на все проблемы с переносом и скверное качество документации, несмотря на сообщения компилятора, напоминавшие бессмысленное нагромождение символов, многие из моих клиентов все равно работали с STL. Более того, они не просто экспериментировали с библиотекой, а использовали ее в коммерческих версиях своих программ! Для меня это
было откровением. Я знал, что программы, использующие STL, отличались элегантной архитектурой, но любая библиотека, ради которой программист добровольно обрекал себя на трудности с переносом, на скверную документацию и невразумительные сообщения об ошибках, должна была обладать чем-то большим, чем хорошая архитектура. Все больше профессиональных программистов полагало, что даже плохая реализация STL лучше, чем ее полное отсутствие.
Более того, я знал, что ситуация с STL будет улучшаться. Библиотеки и компиляторы будут постепенно приближаться к требованиям Стандарта (так оно и было), появится качественная документация (см. список литературы на с. 203), а диагностика компилятора станет более вразумительной (в этой области ситуация оставляет желать лучшего, но рекомендации совета 49 помогут вам с расшифровкой сообщений). В общем, я решил внести свою лепту в движение STL. Так появилась эта книга — 50 практических советов по использованию STL в С++.
Сначала я намеревался написать книгу за вторую половину 1999 г. и даже набросал ее примерную структуру. Но потом планы изменились, я приостановил работу над книгой и разработал вводный курс по STL, который преподавался нескольким группам программистов. Примерно через год я вернулся к книге и значительно расширил материал на основании опыта, полученного за время преподавания. В книге я постарался осветить практические аспекты программирования в STL, особенно важные для профессиональных программистов.
Благодарности
За годы, которые потребовались на то, чтобы разобраться в STL, разработать учебный курс и написать эту книгу, я получил неоценимую помощь и поддержку от множества людей. Хочу особо отметить Марка Роджерса (Mark Rodgers), великодушно предложившего просматривать материалы учебного курса по мере их написания. От него я узнал об STL больше, чем от кого-либо другого. Марк также выполнял функции технического редактора этой книги, а его замечания и дополнения помогли улучшить практически весь материал.
Другим выдающимся источником информации были конференции Usenet; посвященные языку С++, особенно comp.lang.c++.moderated («clcm»), comp.std.c++ и microsoft.public.vc.stl. Свыше десяти лет участники этих и других конференций отвечали на мои вопросы и ставили задачи, над которыми мне приходилось думать. Я глубоко благодарен сообществу Usenet за помощь в работе над этой книгой и моими предыдущими публикациями по С++.
Мое понимание STL формировалось под влиянием ряда публикаций, самые важные из которых перечислены в конце книги. Особенно много полезного я почерпнул из труда Джосаттиса «The С++ Standard Library» [3].
Идеи и наблюдения, из которых состоит эта книга, в основном принадлежат другим авторам, хотя в ней есть и ряд моих собственных открытий. Я постарался по возможности отследить источники, из которых был почерпнут материал, но эта задача обречена на провал, поскольку информация собиралась из множества источников в течение долгого периода времени. Приведенный ниже список далеко не полон, но ничего лучше предложить не могу. Учтите, что в этом списке перечислены источники, из которых я узнавал о тех или иных идеях и приемах, а не их первооткрыватели.
В совете 1 замечание о том, что узловые контейнеры обеспечивают лучшую поддержку транзакционной семантики, позаимствовано из раздела 5.11.2 «The С++ Standard Library» [3]. Пример использования typedef при изменении типа распределителя памяти из совета 2 был предложен Марком Роджерсом. Совет 5 вдохновлен статьeй Ривса (Reeves) «STL Gotchas» [17]. В основу совета 8 заложен совет 37 книги Саттера «Exceptional С++» [8], а Кевлин Хенни (Kevlin Henney) предоставил важную информацию о проблемах, возникающих при использовании контейнеров auto_ptrvecto
Разумеется, за материал приложения А следует поблагодарить Мэтта Остерна. Мэтт не только разрешил включить статью в книгу, но и отредактировал ее, чтобы она стала еще лучше оригинала.
Изданию хорошей технической книги всегда предшествует тщательная подготовка. Моей книге повезло — ее просмотрела целая группа выдающихся специалистов. Брайан Керниган (Brian Kerninghan) и Клифф Грин (Cliff Green) прокомментировали ранние наброски, а полную версию книги просматривали Дуг Харрисон, Брайан Керниган, Тим Джонсон (Tim Johnson), Фрэнсис Глассборо (Francis Glassborough), Андрей Александреску, Дэвид Смоллберг, Аарон Кэмпбел (Aaron Campbell), Джаред Мэннинг (Jared Manning), Херб Саттер, Стивен Дью-херст (Stephen Dewhurst), Мэтт Остерн, Гиллмер Дердж (Gillmer Derge), Аарон Мур (Aaron Moore), Томас Бекер (Thomas Becker), Виктор Вон (Victor Von) и, конечно, Марк Роджерс. Редактура была выполнена Катриной Эвери (Katrina Avery).
В процессе подготовки книги очень трудно найти хорошего технического редактора. Я благодарен Джону Поттеру за то, что он познакомил меня с Джаредом Мэннингом и Аароном Кэмпбеллом.
Херб Саттер любезно согласился помочь мне откомпиировать и запустить некоторые тестовые программы STL в бета-версии Microsoft Visual Studio .NET, а Леор Золман (Leor Zolman) взял на себя геркулесов труд по тестированию всего кода в книге. Конечно, все оставшиеся ошибки находятся исключительно на моей ответственности.
Анжелика Лангер открыла мне глаза на неопределенность некоторых аспектов объектов функций STL. В этой книге объектам функций уделяется меньше внимания, чем хотелось бы, но, по крайней мере, все сказанное с большой долей вероятности останется истинным и в будущем. Во всяком случае, я на это надеюсь.
Печатный вариант настоящей книги лучше предыдущих, поскольку внимательные читатели — Джон Уэбб (John Webb), Майкл Хокинс (Michael Hawkins), Дерек Прайс (Derek Price) и Джим Шеллер (Jim Scheller) — указали на некоторые недостатки. Я благодарен им за помощь по улучшению «Effective STL».
Среди моих коллег в издательстве Addison-Wesley были Джон Уэйт Qohn Wait), редактор, а ныне вице-президент, его заместители Алисия Кэри (Alicia Carey) и Сюзанна Бузард (Susannah Buzard), координатор проекта Джон Фуллер (John Fuller), художник Карин Хансен (Karin Hansen), технический гуру Джейсон Джонс (Jason Jones), особенно хорошо разбирающийся в продуктах Adobe, их начальник Марти Рабиновиц (Marty Rabinowitz), а также Курт Джонсон (Curt Johnson), Чанда Лири-Куту (Chanda Leary-Coutu) и Робин Брюс (Robin Bruce) — специалисты по маркетингу, но вполне нормальные люди.
Эбби Стейли (Abby Staley) сделала мои воскресные обеды привычным, но приятным делом.
Как и во время работы над предыдущими шестью книгами и одним компакт-диском, моя жена Нэнси терпеливо сносила мою хроническую занятость и предлагала свою помощь и поддержку именно тогда, когда я в них больше всего нуждался. Она постоянно напоминала мне, что в жизни есть вещи получше С++ и программ.
Остается упомянуть нашу собаку Персефону. В день, когда я пишу эти строки, ей исполняется шесть лет. Сегодня мы с Нэнси и Персефоной отправимся в «Бас-кин-Роббинс». Как обычно, Персефоне достанется один шарик ванильного мороженого в вафельном стаканчике.
От издательства
Ваши замечания, предложения, вопросы, касающиеся русского издания этой книги, отправляйте по адресу электронной почты comp@piter.com (издательство «Питер», компьютерная редакция).
Мы будем рады узнать ваше мнение!
На web-сайте издательства http://www.piter.com вы найдете подробную информацию о наших книгак.
Введение
Вы уже знакомы с STL. Вы умеете создавать контейнеры, перебирать их содержимое, добавлять и удалять элементы, а также использовать общие алгоритмы — такие, как find и sort. Но вы никак не можете отделаться от впечатления, что используете лишь малую часть возможностей STL. Задачи, которые должны решаться просто, решаются сложно; операции, которые должны выполняться просто и прямолинейно, приводят к утечке ресурсов или ведут себя непредсказуемо. Процедуры, которые должны работать с максимальной эффективностью, поглощают больше времени или памяти, чем положено. Да, вы умеете использовать библиотеку STL, но не уверены в том, что используете ее
В ней я покажу, как организовать взаимодействие между компонентами STL с тем, чтобы в полной мере использовать архитектуру библиотеки. Вы научитесь разрабатывать простые решения для простых задач и проектировать элегантные решения для более сложных ситуаций. В книге описаны стандартные ошибки использования STL и приведены рекомендации относительно того, как их избежать. Это поможет ликвидировать утечку ресурсов, предотвратить появление непереносимого кода и непредсказуемое поведение программ. Различные приемы оптимизации кода заставят библиотеку STL работать быстро и эффективно, как и было задумано при ее проектировании.
Прочитав эту книгу, вы будете лучше программировать в STL. Программирование станет более продуктивным и интересным занятием. Работать с STL интересно, но эффективная работа с библиотекой — занятие чрезвычайно захватывающее, от которого просто невозможно оторваться. Даже при беглом взгляде на STL становится ясно, что это замечательная библиотека, но ее достоинства гораздо шире и глубже, чем можно себе представить. Я занимаюсь программированием около 30 лет, но я еще никогда не встречал ничего похожего на STL.
Определение, использование и расширение STL
У STL не существует официального определения, и разные авторы вкладывают в этот термин разный смысл. В этой книге термин «STL» относится к компонентам стандартной библиотеки С++, работающим с итераторами. К этой категории относятся стандартные контейнеры (включая string), части библиотеки потоков ввода-вывода, объекты функций и алгоритмы. В нее не входят адаптеры стандартных контейнеров (stack, queue и priorityqueue), контейнеры bitset и valarray, не поддерживающие итераторы, а также массивы. Хотя массивы поддерживают итераторы в форме указателей, они являются частью
С технической точки зрения в мое определение STL не входят расширения стандартной библиотеки С++, в том числе хэшированные контейнеры, односвязные списки, контейнеры rope и различные нестандартные объекты функций. Несмотря на это, программистам STL следует помнить о существовании этих расширений, поэтому я упоминаю о них там, где это уместно. В совете 25 приведен обзор нестандартных хэшированных контейнеров. В настоящее время эти контейнеры не входят в STL, но их аналоги почти наверняка будут включены в следующую версию стандартной библиотеки С++.
Возможность расширения была заложена в библиотеку STL во время проектирования. Тем не менее, в этой книге основное внимание уделяется
Ссылки
Ссылки на книги Джосаттиса и Остерна в предыдущем абзаце дают представление о том, как в этой книге оформляются библиографические ссылки. Как правило, я стараюсь включить в ссылку достаточно информации, чтобы ее узнали люди, уже знакомые с этим трудом. Если вы уже читали книги этих авторов, вам не придется обращаться к разделу «Литература» и выяснять, что скрывается за ссылками [3] и [4]. Конечно, в списке литературы приведены полные данные.
Три публикации упоминаются так часто, что номер ссылки обычно не указывается. Первая из них, Международный стандарт С++ [5], в книге именуется просто «Стандартом». Две другие — мои предыдущие книги о С++, «Effective С++» [1] и «More Effective С++» [2].
STL и Стандарты
В книге я часто ссылаюсь на Стандарт С++, потому что основное внимание уделяется переносимой, стандартной версии С++. Теоретически все примеры, приведенные в книге, должны работать во всех реализациях С++. К сожалению, на практике это не так. Вследствие недоработок в компиляторах и реализациях STL даже правильный код иногда не компилируется или работает не так, как положено. В самых типичных случаях описывается суть проблемы и предлагаются обходные решения.
Иногда самый простой выход заключается в переходе на другую реализацию STL (пример приведен в приложении Б). Чем больше вы работаете с STL, тем важнее отличать
Обычно я говорю о компиляторах
Уделяя особое внимание тому, чтобы код соответствовал стандартам, я также стремлюсь избежать конструкций с непредсказуемым поведением. Последствия выполнения таких конструкций на стадии работы программы могут быть любыми. К сожалению, иногда эти конструкции могут делать именно то, что требуется, а это создает вредные иллюзии. Слишком многие программисты считают, что непредсказуемое поведение всегда ведет к очевидным проблемам, то есть сбоям обращений к сегментам или другим катастрофическим последствиям. Результаты могут быть гораздо более тонкими (например, искажение данных, редко используемых в программе); кроме того, разные запуски программы могут приводить к разным результатам. У непредсказуемого поведения есть хорошее неформальное определение: «Работает у меня, работает у тебя, работает во время тестирования, но не работает у самого важного клиента». Непредсказуемого поведения следует избегать, поэтому я особо выделяю некоторые стандартные случаи в книге. Будьте начеку и учитесь распознавать ситуации, чреватые непредсказуемым поведением.
Подсчет ссылок
При описании STL практически невозможно обойти стороной подсчет ссылок. Как будет показано в советах 7 и 33, любая архитектура, основанная на контейнерах указателей, практически всегда основана на подсчете ссылок. Кроме того, подсчет ссылок используется во многих внутренних реализациях string, причем, как показано в совете 15, это обстоятельство иногда приходится учитывать при программировании. Предполагается, что читатель знаком с основными принципами работы механизма подсчета ссылок, а если не знаком — необходимую информацию можно найти в любом учебнике С++ среднего или высокого уровня. Например, в книге «More Effective С++» соответствующий материал приведен в советах 28 и 29. Но даже если вы не знаете, что такое подсчет ссылок, и не горите желанием поскорее узнать, не беспокойтесь. Материал книги в целом все равно останется вполне доступным.
string и wstring
Все, что говорится о контейнере string, в равной степени относится и к wstring, его аналогу с расширенной кодировкой символов. Соответственно, любые упоминания о связи между string и char или cha относятся и к связи между wstring и wchar_t или wchar_t*. Иначе говоря, отсутствие специальных упоминаний о строках с расширенной кодировкой символов не означает, что в STL они не поддерживаются. Контейнеры string и wstring являются специализациями одного шаблона basic_string.
Терминология
Данная книга не является учебником начального уровня по STL. Предполагается, что читатель уже владеет основными материалом. Тем не менее следующие термины настолько важны, что я счел необходимым особо выделить их.
•Контейнеры vecto
•Итераторы делятся на пять категорий в соответствии с поддерживаемыми операциями. istream_iterator и ostream_iterator соответственно.
list.
vectostring и deque. В массивах функциональность итераторов произвольного доступа обеспечивается указателями.
•Любой класс, перегружающий оператор вызова функции (то есть operator
•Функции bind1st и bind2nd называются
Революционным новшеством STL являются гарантии сложности, то есть ограничения объема работы, выполняемой любыми операциями STL. Таким образом, программист может сравнить относительную эффективность нескольких решений в зависимости от платформы STL. Гарантии сложности выражаются в виде функции от количества элементов в контейнере или интервале
•Операция с
Термин «постоянная сложность» не стоит воспринимать буквально. Он означает не то, что время выполнения операции остается строго постоянной величиной, а лишь то, что оно не зависит от
•Операции с
•Время, необходимое для выполнения операций с count работает с линейной сложностью, поскольку он должен просмотреть каждый элемент в заданном интервале. Если интервал увеличивается в три раза, объем работы тоже увеличивается втрое, поэтому операция занимает в три раза больше времени.
Как правило, операции с постоянной сложностью выполняются быстрее, чем операции с логарифмической сложностью, а последние выполняются быстрее операций с линейной сложностью. Этот принцип особенно четко выполняется для больших значений
И последнее замечание по поводу терминологии: вспомните, что каждый элемент контейнеров map и multimap состоит из двух компонентов. Я обычно называю первый компонент
map<string,double> m;
ключ относится к типу string, а ассоциированное значение — к типу double.
Примеры
Книга содержит множество примеров. Все примеры комментируются по мере их приведения, и все же кое-что следует пояснить заранее.
Из приведенного выше примера с map видно, что я обычно опускаю директивы #include и игнорирую тот факт, что компоненты STL принадлежат пространству имен std. Полное определение m должно было выглядеть так:
#include <map>
#include <string>
using std::map;
using std::string;
map<string. double> m;
Но я предпочитаю оставить в примере лишь самое существенное. При объявлении формального параметра-типа шаблона вместо class используется ключевое слово typename. Иначе говоря, вместо конструкции вида
template <class Т>
class Widget{...};
я использую конструкцию
template <typename Т>
class Widget{...};
В данном контексте ключевые слова class и typename эквивалентны, но мне кажется, что слово typename более четко выражает важную мысль: подходит class — пожалуйста. Выбор между typename и class в этом контексте зависит только от стиля.
Однако в других контекстах стиль не является единственным фактором. Во избежание потенциальных неоднозначностей лексического анализа (я избавлю вас от подробностей) имена типов, зависящие от формальных параметров шаблона, должны предваряться ключевым словом typename. Такие типы называются
template <typename С>
bool latGreaterThanFirst(const С& container)
{
if(container.empty()) return false:
typename C::const_iterator begin(container.begin());
typename C::const_iterator end(container.end());
return *--end > *begin;
}
В этом примере локальные переменные begin и end относятся к типу С::const_iteratorС:: const_iterator является зависимым, перед ним должно стоять ключевое слово typename. Некоторые компиляторы принимают код без typename, но такой код не переносится на другие платформы.
Надеюсь, вы обратили внимание на жирный шрифт в приведенных примерах. Выделение должно привлечь ваше внимание к особенно важным фрагментам кода. Нередко таким образом подчеркиваются различия между похожими примерами, как, например, при демонстрации двух разных способов объявления параметра Т в примере Widget. Аналогичным образом помечаются и важные блоки на рисунках. Например, на диаграмме из совета 5 таким образом помечаются два указателя, изменяемые при вставке нового элемента в список.
В книге часто встречаются параметры lhs и rhs. Эти сокращения означают «left-hand side» («левая сторона») и «right-hand side» («правая сторона») соответственно, они особенно удобны при объявлении операторов. Пример из совета 19:
class Widget {...}:
bool operator==(const Widget& lhs. const Widgets rhs):
При вызове этой функции в контексте
Поделиться книгой: