[c++] 模板、迭代器、泛型

模板

• 函数模板：重载的进一步抽象，只需定义一个函数体即可用于所有类型
• 在C++中，数据的类型也可以通过参数来传递，在函数定义时可以不指明具体的数据类型，当发生函数调用时，编译器可以根据传入的实参自动推断数据类型。这就是类型的参数化
• 值（Value）和类型（Type）是数据的两个主要特征，它们在C++中都可以被参数化
• 所谓函数模板，实际上是建立一个通用函数，它所用到的数据的类型（包括返回值类型、形参类型、局部变量类型）可以不具体指定，而是用一个虚拟的类型来代替（实际上是用一个标识符来占位），等发生函数调用时再根据传入的实参来逆推出真正的类型。这个通用函数就称为函数模板（Function Template）
• typename关键字也可以使用class关键字替代
• 类模板中定义的类型参数可以用在类声明和类实现中，类模板的目的同样是将数据的类型参数化
• 一但声明了类模板，就可以将类型参数用于类的成员函数和成员变量了
• 与函数模板不同的是，类模板在实例化时必须显式地指明数据类型，编译器不能根据给定的数据推演出数据类型
• C++ 模板也是被迫推出的，最直接的动力来源于对数据结构的封装
• 数据结构中每份数据的类型无法提前预测，而 C++ 又是强类型的，数据的种类受到了严格的限制
• STL（Standard Template Library，标准模板库）就是 C++ 对数据结构进行封装后的称呼
• 并非所有的类型都使用同一种算法，有些特定的类型需要单独处理，为了满足这种需求，C++ 允许对函数模板进行重载
• 模板（Templet）并不是真正的函数或类，它仅仅是编译器用来生成函数或类的一张“图纸”。模板不会占用内存，最终生成的函数或者类才会占用内存。由模板生成函数或类的过程叫做模板的实例化（Instantiate），相应地，针对某个类型生成的特定版本的函数或类叫做模板的一个实例（Instantiation）
• 模板也可以看做是编译器的一组指令，它命令编译器生成我们想要的代码
• 通过类模板创建对象时，一般只需要实例化成员变量和构造函数
• 通过类模板创建对象时并不会实例化所有的成员函数，只有等到真正调用它们时才会被实例化；如果一个成员函数永远不会被调用，那它就永远不会被实例化
• 编译是针对单个源文件的，只要有函数声明，编译器就能知道函数调用是否正确；而将函数调用和函数定义对应起来的过程，可以延迟到链接时期。正是有了链接器的存在，函数声明和函数定义的分离才得以实现
• 程序员惯用的做法是将模板的声明和定义都放到头文件中
• 模板的实例化是按需进行的，用到哪个类型就生成针对哪个类型的函数或类，不会提前生成过多的代码
• 模板的实例化是由编译器完成的，而不是由链接器完成的
• 在实例化过程中需要知道模板的所有细节，包含声明和定义

容器

• 容器（container）是用于存放数据的类模板
• 容器都是类模板。它们实例化后就成为容器类。用容器类定义的对象称为容器对象
• 例如，vector<int>是一个容器类的名字，vector<int> a;就定义了一个容器对象 a
• 容器分为顺序容器和关联容器
• 顺序容器有以下三种：可变长动态数组 vector、双端队列 deque、双向链表 list
• 它们之所以被称为顺序容器，是因为元素在容器中的位置同元素的值无关，即容器不是排序的
• 关联容器有以下四种：set、multiset、map、multimap
• 关联容器内的元素是排序的，因此插入元素时不能指定位置
• 默认情况下，关联容器中的元素是从小到大排序（或按关键字从小到大排序）的
• 数组是一种类似于vector的数据结构，但数组大小确定，不能随意向其中增加元素
• vector是使用容器时的首选，它几乎支持所有相关操作，它的主要问题在于元素在内存中是连续存储的，每次执行插入、删除操作时都需要对元素进行移动，当vector很大或其中存储的元素很大时会大大降低代码的性能
• 如果需要在程序中指向许多数量很多又很大的对象，应该考虑使用list，但list占用空间大，一个list<char>需要12字节，一个vector<char>需要1字节
• 关联容器支持高效的关键字查找和访问，两个主要的关联容器类型是map和set

迭代器

• 要访问顺序容器和关联容器中的元素，需要通过“迭代器（iterator）”进行
• 迭代器是一个变量，相当于容器和操纵容器的算法之间的中介
• 迭代器是一个可以标识序列中元素的对象
• 迭代器的使用令算法不依赖于容器类型
• 迭代器可以指向容器中的某个元素，通过迭代器就可以读写它指向的元素。从这一点上看，迭代器和指针类似，事实上，指向数组中某一元素的指针就是一个迭代器
• 但许多迭代器不仅仅是指针，比如可定义一个边界检查迭代器，当试图使它指向[begin:end)之外的内容时就会抛出异常
• 通过迭代器可以读取它指向的元素，*迭代器名就表示迭代器指向的元素。通过非常量迭代器还能修改其指向的元素
• 序列是STL中的核心概念，数据集合是一个序列，序列具有头部和尾部
• 可利用迭代器实现算法与数据的连接
• 程序员了解迭代器的使用方法，数据提供者向程序员提供相应迭代器而不是数据存储的细节
• STL算法和容器可以共同完成很强大的功能，是因为它们根本不知道对方的存在
• STL包含大概10中容器和60种由迭代器相连接的算法

泛型

• 模板所支持的类型是宽泛的，没有限制的，我们可以使用任意类型来替换，这种编程方式称为泛型编程（Generic Programming）
• 推出泛型最直接的动力来源于对通用算法（查找、排序、删除）的封装
• 泛型算法本身不会执行容器的操作，它们只会运行于迭代器之上，执行迭代器的操作
• 算法永远不会改变容器的大小，算法可能改变容器中保存元素的值，也可能在容器中移动元素，但永远不会直接添加或删除元素
• 标准库算法都对一个范围内的元素进行操作，此范围称作“输入范围”，算法用前两个参数表示此范围，两个参数分别指向要处理的第一个元素和尾元素之后位置的迭代器
• 理解算法最基本的方法就是了解它们是否读取元素、改变元素或重排元素顺序
• 任何算法的基本特征是它要求迭代器提供哪些操作
• 标准库定义了约100个类型无关的对序列进行操作的算法