М. Э. Абрамян
Введение в стандартную библиотеку шаблонов C++. Описание, примеры использования, учебные задачи

Предисловие

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.

Раздел 1. Описание библиотеки STL

1.1. Итераторы

1.1.1. Общее описание

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);

• для прочих итераторов операция ^* может использоваться как для получения значения элемента, так и для изменения этого значения.

Операции сравнения итераторов на равенство == и != реализованы для всех итераторов, кроме итераторов записи.

Для однонаправленных итераторов не определяются новые операции (по сравнению с итераторами чтения или записи).

Для двунаправленных итераторов в дополнение к операции инкремента ++ вводится операция декремента -– (также в двух видах: –p и p–).

Наконец, для итераторов произвольного доступа добавляются операция индексирования [ ], позволяющая сразу обратиться к элементу последовательности с требуемым индексом (p[i]), и операция смещения на указанное количество элементов, причем в оба направления (p + i и p – i). Имеется также операция разности двух итераторов, позволяющая определить расстояние между элементами, с которыми они связаны (p2 – p1).

Таким образом, набор операций для итераторов произвольного доступа аналогичен набору операций для обычных указателей.

Для итераторов, не являющихся итераторами произвольного доступа, также можно выполнять действия, связанные со смещением и определением расстояния, используя функции из заголовочного файла <iterator>:

• advance(p, n) – передвигает итератор p на n позиций вперед (n >= 0); для двунаправленного итератора можно использовать n < 0 для перемещения назад;

• distance(p1, p2) – возвращает расстояние между итераторами p1 и p2 (в предположении, что расстояние неотрицательно, т. е. что итератор p1 предшествует итератору p2 или совпадает с ним; для двунаправленных итераторов p2 может предшествовать итератору p1, в этом случае расстояние будет отрицательным).

Два итератора обычно используются для задания диапазона элементов, при этом предполагается, что первый итератор (first) указывает на начальный элемент диапазона, а второй итератор (last) указывает на позицию за конечным элементом диапазона (причем эта позиция может не быть связана с существующим элементом). Чтобы подчеркнуть отмеченные особенности для диапазонов, определяемых итераторами, они часто записываются в виде полуинтервала [first, last) (левая граница диапазона включается, правая – нет). Полуинтервал [first, first) не содержит ни одного элемента.

В качестве итераторов чтения и итераторов записи можно использовать итераторы всех остальных видов (однонаправленные, двунаправленные, произвольного доступа); следует лишь учитывать, что итераторы записи можно инкрементировать неограниченно, тогда как итераторы других видов всегда связываются с некоторым диапазоном допустимых элементов. В качестве однонаправленных итераторов можно использовать двунаправленные итераторы и итераторы произвольного доступа, а в качестве двунаправленных итераторов – итераторы произвольного доступа.

Для всех видов итераторов определены их модификации – константные итераторы, отличающиеся от обычных тем, что их разыменование дает константное значение.

Особыми итераторами являются итераторы потоков ввода–вывода (см. п. 1.1.2), обратные итераторы (см. п. 1.2.9) и итераторы вставки (см. п. 1.3.4).

1.1.2. Итераторы потоков ввода-вывода

Стандартные потоковые итераторы istream_iterator<T> и ostream_iterator<T> (шаблонные классы) определены в заголовочном файле <iterator>.

Имеются два варианта конструктора для итератора потокового чтения istream_iterator: вариант с параметром-потоком stream создает итератор для чтения из данного потока, вариант без параметров создает итератор, обозначающий конец потока (все итераторы, обозначающие конец потока, считаются равными друг другу и не равными никаким другим итераторам потокового чтения).

Ниже перечислены свойства потоковых итераторов чтения:

• тип T определяет тип элементов данных, которые считываются из потока;

• чтение элемента из потока выполняется в начальный момент работы с итератором, а затем при каждой операции инкремента ++;

• имеются два варианта операции ++: префиксный инкремент (++p) и постфиксный инкремент (p++);

• операция ^* (и ее вариант ->) возвращает последнее прочитанное значение, причем эту операцию можно использовать неоднократно для получения того же самого значения;

• при достижении конца потока итератор становится равным итератору конца потока; последующие вызовы операции инкремента игнорируются, а в результате вызова операции ^* всегда возвращается значение последнего прочитанного из потока элемента (если же с итератором был связан пустой поток, то результат операции ^* не определен, хотя и не приводит к аварийному завершению программы).

Для итератора потоковой записи ostream_iterator<T> также определены два конструктора: первый конструктор содержит единственный параметр stream, задающий поток вывода, а второй конструктор дополнительно к параметру stream содержит второй параметр delim, задающий разделитель, который добавляется в поток вывода после каждого выведенного элемента (если параметр delim не указан, то между выводимыми элементами никакой разделитель не добавляется).

Ниже перечислены свойства потоковых итераторов записи:

• специальный конструктор для создания итератора конца потока вывода не предусмотрен;

• операции ^* и ++ не выполняют никаких действий и просто возвращают сам итератор;

• операция присваивания p = выражение (где p – имя итератора записи) записывает значение выражения в поток вывода.

1.2. Контейнеры

1.2.1. Общее описание

Данный раздел посвящен контейнерам, входящим в стандартную библиотеку шаблонов C++. Подробно описываются те основные виды последовательных и ассоциативных контейнеров, с которыми связаны задания, приводимые в книге: это векторы (vector), деки (deque), списки (list), множества (set), мультимножества (multiset), отображения (map) и мультиотображения (multimap), а также текстовые строки (string), которые относят к псевдоконтейнерам. Другие виды контейнеров кратко описываются в п. 1.2.8: это контейнеры-адаптеры стек (stack), очередь (queue) и очередь с приоритетом (priority_queue), а также контейнеры, добавленные в библиотеку STL в стандарте C++11 (array, forward_list и ассоциативные контейнеры на базе хеш-функций). Все контейнеры определены в пространстве имен std.

В таблицах 1 и 2 перечислены характеристики основных видов последовательных и ассоциативных контейнеров.

Таблица 1

Последовательные контейнеры

Таблица 2

Ассоциативные контейнеры

В описаниях шаблонов контейнеров, приводимых в таблицах 1 и 2, и далее при описании конструкторов и функций-членов этих контейнеров (см. п. 1.2.2–1.2.6) не указывается дополнительный тип Alloc, который обычно устанавливается по умолчанию. Необязательные параметры заключаются в квадратные скобки, набранные полужирным шрифтом: [ ]. В частности, если в шаблоне ассоциативного контейнера не указывается операция сравнения Compare, то она считается равной less<Key>.

Контейнеры могут содержать данные только тех типов T, которые удовлятворяют некоторым естественным условиям (например, в стандарте C++98 требуется, чтобы для типа T был определен конструктор копирования и операция присваивания).

Все рассматриваемые последовательные контейнеры допускают вставку новых элементов в любую позицию и удаление элементов из любой позиции. Векторы оптимизированы для быстрого (за константное время) выполнения операций вставки и удаления, связанных с концом последовательности элементов (функции-члены push_back и pop_back), а деки – для операций, связанных как с началом, так и с концом последовательности (функции-члены push_back и pop_back, push_front и pop_front). В то же время, векторы обладают рядом особенностей, отсутствующих у деков; в частности, они имеют такую характеристику, как емкость, которая доступна и для чтения (функция-член capacity) и для изменения (функция-член reserve). Текстовые строки string обладают возможностями, аналогичными возможностям векторов с символьными элементами. Списки позволяют выполнять быструю вставку и удаление элементов для любой позиции, однако доступ к элементу списка по его номеру требует линейного времени (т. е. зависит от текущего размера списка). По этой причине для списков не реализована операция индексирования, а связанные со списками итераторы являются двунаправленными (а не итераторами произвольного доступа, как для всех остальных последовательных контейнеров). Еще одной особенностью списка является то, что операции вставки и удаления не влияют на корректность итераторов и ссылок, связанных с другими его элементами, в то время как для векторов и деков вставка или удаление элементов может приводить к тому, что некоторые (или все) итераторы и/или ссылки окажутся недействительными (подробности приведены в п. 1.2.7). Кроме того, для списков предусмотрен набор дополнительных функций-членов, отсутствующих у других последовательных контейнеров и представляющих собой оптимизированные реализации соответствующих алгоритмов (см. п. 1.2.5).

Все рассматриваемые ассоциативные контейнеры хранят последовательности своих элементов в отсортированном виде. Сортировка выполняется по ключу, причем для множеств и мультимножеств ключами выступают сами элементы (типа T), а в отображениях и мультиотображениях хранятся пары типа pair<Key, T>, первый компонент которых считается ключом (key), а второй – значением (value). По умолчанию порядок определяется операцией < для типа ключа Key, однако его можно явно указать в шаблоне контейнера в виде функционального объекта, реализующего бинарный предикат с параметрами типа Key и со свойствами операции сравнения «меньше». Мультимножества и мультиотображения, в отличие от множеств и отображений, позволяют хранить набор элементов с эквивалентными ключами (ключи считаются эквивалентными, если ни один из них не является меньшим, чем другой). Для отображения определена операция индексирования с дополнительными возможностями (см. п. 1.2.6). Вставка новых элементов в любой ассоциативный контейнер сохраняет его упорядоченность. И операция вставки, и операция удаления для ассоциативных контейнеров требует логарифмического времени, если для этих операций указывается параметр-ключ. За это же время выполняется и поиск элементов по ключу, для реализации которого в ассоциативных контейнерах предусмотрен целый набор функций-членов. Указанные свойства ассоциативных контейнеров делают их удобным механизмом для группировки и объединения наборов данных по ключу.

Поскольку контейнеры, перечисленные в таблицах 1 и 2, имеют много одинаковых функций-членов, все они далее рассматриваются совместно: в п. 1.2.2 перечисляются типы, связанные с контейнерами, и описываются варианты конструкторов, в п. 1.2.3 приводятся функции-члены, имеющиеся у всех контейнеров, в п. 1.2.4 – функции-члены последовательных контейнеров, в п. 1.2.5 – дополнительные функции-члены списков, в п. 1.2.6 – функции-члены ассоциативных контейнеров. В каждом пункте все функции-члены приводятся в алфавитном порядке их имен. Если некоторые функции-члены имеются не у всех рассматриваемых типов контейнеров, то это явно указывается; кроме того, специальным образом помечаются функции-члены, добавленные в стандарте C++11 (например, текст vector(C++11), string означает, что соответствующая функция-член доступна только для классов vector и string, причем для класса vector – только начиная со стандарта C++11). Если один из прежних вариантов функции-члена отсутствует в стандарте С++11, то он помечается текстом C++98.

Класс string имеет гораздо больше функций-членов, чем остальные контейнеры, однако в данном разделе приводятся только те из них, которые имеются также и у других последовательных контейнеров.

Если требуется одновременно упомянуть и множество, и мультимножество, то используется слово «(мульти)множество»; если требуется одновременно упомянуть и отображение, и мультиотображение, то используется слово «(мульти)отображение».

В последующих описаниях функций-членов некоторые переменные всегда связываются с данными фиксированного типа (этот тип определяется в самом контейнере – см. п. 1.2.2):

• n имеет тип size_type;

• k имеет тип key_type;

• x (а также x1, x2, …) имеет тип value_type;

• init_list имеет тип списка инициализации initializer_list<value_type> (элементы списка инициализации разделяются запятыми, сам список заключается в фигурные скобки);

• pos, hintpos, first и last (а также pos_lst, first_lst, last_lst) имеют тип итератора соответствующего контейнера (iterator).

Переменная other обозначает параметр, являющийся контейнером того же типа, что и контейнер, для которого вызывается функция-член. Переменные InIterFirst и InIterLast обозначают итераторы чтения, которые могут быть связаны с контейнером другого типа (при этом тип элементов контейнера должен совпадать с типом элементов контейнера, для которого вызывается функция-член).

Функции-члены begin, end, rbegin, rend, front, back, at, equal_range, find, lower_bound, upper_bound (а также data для векторов и operator[ ] для последовательных контейнеров) реализованы в двух вариантах: неконстантном и константном (например, iterator begin(…) и const_iterator begin(…) const); в дальнейшем это особо не оговаривается и константный вариант не приводится. В стандарте C++11 константные варианты функций-членов begin, end, rbegin, rend можно использовать с именами cbegin, cend, crbegin, crend соответственно.