Михаил Абрамян - Введение в стандартную библиотеку шаблонов C++. Описание, примеры использования, учебные задачи

Книга, предлагаемая вашему вниманию, представляет собой практико-ориентированный учебник по стандартной библиотеке шаблонов языка C++. Для библиотеки шаблонов часто используется название STL (Standard Template Library), которое является неформальным, однако позволяет отличить ее от остальных частей стандартной библиотеки C++. Начиная с 1998 г. библиотека STL входит в стандарт C++ ISO/IEC 14882 (C++98); она содержит средства для создания и преобразования различных структур данных и использует технологию обобщенного программирования. Архитектура библиотеки STL базируется на трех основных компонентах: контейнерах, итераторах и алгоритмах. Контейнеры предназначены для хранения наборов объектов в памяти; STL включает две группы контейнеров: последовательные и ассоциативные, в каждую группу входят контейнеры с различными свойствами, что позволяет выбирать контейнер, наиболее подходящий для решения поставленной задачи. Итераторы обеспечивают унифицированные средства доступа к содержимому контейнера. Благодаря концепции итераторов, базирующейся на средствах обобщенного программирования, оказалось возможным реализовать универсальные алгоритмы – вычислительные процедуры, предназначенные для анализа и преобразования контейнеров. Один и тот же алгоритм может быть применен к любым контейнерам, обладающим требуемыми для этого алгоритма свойствами (точнее, имеющим итераторы того типа, который необходим для корректной работы алгоритма). Еще одной составной частью библиотеки STL являются функциональные объекты , представляющие собой обобщения функций и фигурирующие во многих алгоритмах. В пересмотренном стандарте C++ ISO/IEC 14882:2011 (C++11) библиотека STL была дополнена рядом новых возможностей.

Библиотека STL является одной из наиболее трудных для изучения частей стандартной библиотеки С++. Во-первых, это достаточно большая часть стандартной библиотеки: она включает 5 основных видов итераторов, а также их модификации, 7 основных и ряд дополнительных контейнеров, около 70 (в стандарте C++11 – около 90) алгоритмов, большинство из которых реализовано в нескольких вариантах, и большое число стандартных функциональных объектов. Во-вторых, архитектура библиотеки STL основана на шаблонах – весьма сложном разделе языка C++ [3]. Следует заметить, что особенности механизма шаблонов языка C++ затрудняют поиск и исправление ошибок, допущенных при использовании средств библиотеки STL (в частности, сообщения компилятора об ошибке нередко связываются с фрагментами стандартного программного кода, а не с теми операторами разрабатываемой программы, в которых фактически была допущена ошибка). В то же время библиотека STL относится к тем основным частям стандартной библиотеки, владение которыми является обязательным условием для квалифицированной разработки программ на языке C++.

По библиотеке STL имеется обширная учебная литература, в том числе и на русском языке. Можно отметить книги [2, 4, 6, 7], целиком посвященные STL, а также соответствующие разделы в известных учебниках [5, 8]. Однако очень немногие издания содержат наборы упражнений, позволяющие закрепить полученные знания (в частности, из перечисленных книг упражнения содержат лишь учебники универсального содержания [5, 8]). При этом предлагаемые упражнения не охватывают все возможности библиотеки и являются достаточно сложными, что затрудняет их использование при проведении лабораторных занятий. Настоящее издание призвано восполнить этот пробел. Помимо компактного, но в то же время достаточно подробного описания всех элементов стандартной библиотеки шаблонов, приведенного в разделе 1, а также примеров их применения (которым посвящен раздел 2), оно содержит набор из 300 задач по всем основным разделам стандартной библиотеки и, таким образом, позволяет не только ознакомиться с ее возможностями, но и освоить эту библиотеку на практике. Задачи разбиты на 7 групп; содержание групп, их особенности и формулировки всех задач приведены в разделе 3.

В описании основных компонентов библиотеки STL учитываются нововведения стандарта C++11. Задания ориентированы в основном на базовый вариант библиотеки STL, соответствующий стандарту C++98, однако при их выполнении вполне допустимо (и более удобно) использовать новые возможности, появившиеся в стандарте C++11.

Все задачи, приведенные в книге, входят в состав электронного задачника Programming Taskbook for STL (PT for STL) , являющегося одним из дополнений универсального задачника по программированию Programming Taskbook. Задачник PT for STL может использоваться совместно со средами программирования Microsoft Visual Studio 2008, 2010, 2012, 2013, 2015, 2017 и Code::Blocks, начиная с версии 13. Он позволяет генерировать программы-заготовки для выбранных заданий, предоставляет программам наборы тестовых исходных данных, проверяет правильность полученных результатов, диагностирует различные виды ошибок и отображает на экране все данные, связанные с заданием. Все эти возможности существенно ускоряют выполнение заданий. Особенности применения задачника при выполнении заданий подробно описываются в разделе 2, а дополнительные средства задачника, упрощающие ввод, вывод и отладочную печать данных, – в разделе 4.

Получить дополнительную информацию об электронном задачнике Programming Taskbook и его дополнении Programming Taskbook for STL (а также других его дополнениях) и скачать их дистрибутивы можно на сайте электронного задачника – http://ptaskbook.com/.

Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность Денису Владимировичу Дуброву и Артему Михайловичу Пеленицыну, которые прочитали первый вариант рукописи и высказали много ценных замечаний.

В библиотеке STL используются пять основных видов итераторов:

• итераторы чтения;

• итераторы записи;

• однонаправленные итераторы;

• двунаправленные итераторы;

• итераторы произвольного доступа.

Для каждого вида итераторов определен набор операций, причем двумя операциями, доступными для всех видов итераторов, являются операция инкремента ++, которая передвигает итератор p на следующий элемент последовательности (++p и p++), и операция разыменования *, возвращающая значение текущего элемента ( *p и вариант p->m для доступа к члену m разыменованного объекта).

Операция разыменования имеет следующие особенности:

• в случае итераторов чтения операция *не может использоваться для изменения элемента;

• в случае итераторов записи операция *не может использоваться для получения значения элемента (выражение *p можно использовать только в левой части присваивания);