ספריית התבניות התקנית

ספריית התבניות התקנית (באנגלית: Standard Template Library או בקיצור: STL) היא חלק מהספרייה התקנית של C++‎. ספרייה זו אינה חלק מובנה בשפה, והיא מכילה כלי עזר שניתן לכתוב בשפת C++‎ עצמה; הספרייה חוסכת מהמתכנת את הטרחה שבכתיבתם. כל שירותי STL הם תבניות שתואמות את עקרונות התכנות הגנרי, ומכאן שם הספרייה. את יצירת ה-STL אפשר לזקוף בעיקר לאלכסנדר סטפנוב שב-1979 החל לעבוד על הרעיון של אלגוריתמים גנריים. ב-1987 כתבו סטפנוב ושותפו דוד מוסר קודים גנריים לשפת עדה. הם שמו לב שעדה יוצאת לאט לאט מהשוק והחליטו לכתוב ספריות גנריות עבור ++C. סטפנוב החל לעבוד במעבדות AT&T ולאחר מכן במעבדות HP על אלגוריתמים גנריים ל-++C. לאחר זמן מה הציג סטפנוב את מחקרו בפני איגוד התקינה של שפת ++C. האיגוד התלהב מהמחקר וביקש מסטפנוב שימשיך לעבוד ויראה להם את התקדמותו. לאחר עבודה רבה על הקוד הם הציגו גרסה סופית שאושרה ביולי 1994. עוד החלטה שתרמה להתפשטות של ה-STL היא ההחלטה של HP לא לקחת תמלוגים על הקוד ולהפיץ אותו בחינם. כל שירותי STL מובאים בצורת תבניות של מחלקות או פונקציות הנמצאות תחת מרחב שם של הספרייה התקנית: std. הספרייה מגדירה מחלקות עבור מבני נתונים נפוצים (כגון ווקטור, עץ חיפוש בינארי, רשימה מקושרת, תור, מחסנית), טיפוסי איטרטורים עבור מחלקות אלה (מצביעים מופשטים) ואלגוריתמים נפוצים (אלגוריתמי חיפוש, מיון, פעולות על קבוצות וכדומה). STL מכילה תבניות של מחלקות שמממשות מבני נתונים נפוצים. טיפוס הנתונים שיכיל כל מבנה נתונים מוגדר בפרמטר הראשון של התבנית (או השני עבור מחלקות map), משמע הדבר שלא ניתן לערבב אובייקטים מטיפוסים שונים בתוך מבנה נתונים אחד. על מנת ליצור מבנה נתונים הטרוגני יש לשמור מצביעים למחלקת אם משותפת. מבני הנתונים המובאים ב-STL מתחלקים לשני סוגים: רצפים – במבני נתונים אלה האובייקטים מסודרים לפי סדר שיש לו משמעות. אוספים אסוציאטיביים – במבני נתונים אלה האובייקטים מסודרים בתוך עץ חיפוש מאוזן או בתוך טבלת גיבוב ועל כן אין משמעות לסדרם. כמו כן, חלק ממבני הנתונים מבוססים על מבני נתונים בסיסיים אחרים. מבני נתונים אלה נקראים אדפטורים (adaptors). למשל תור חד-כיווני הוא גרסה מוגבלת של תור דו-כיווני. כל מבני הנתונים הבסיסיים המוגדרים ב-STL מגדירים ממשק דומה. דבר זה מאפשר לכתוב אלגוריתמים גנריים שיעבדו עם כל מבני הנתונים התומכים בפעולות אלה או אחרות. כמו כן הממשק הדומה מאפשר למתכנת לכתוב מחלקות עבור מבני נתונים משלו שישתלבו יחד עם כל שאר כלי הספרייה. דבר זה הופך את STL לספרייה הניתנת להרחבה, לדוגמה ספריית boost היא הרחבה ל-STL. להלן טבלה המסכמת את מבני הנתונים הקיימים: איטרטור (iterator) הוא מצביע מופשט. בניגוד למצביע רגיל שהוא טיפוס מובנה אשר מכיל כתובת בזיכרון, מימושו של איטרטור לא מוגדר. האיטרטורים עשויים לעבודה עם רצפים של אובייקטים הנמצאים בתוך מבני נתונים שפורטו למעלה או שהוגדרו על ידי המתכנת. STL מגדירה חמש מחלקות בסיס עבור חמישה סוגי איטרטורים: איטרטור קלט (input iterator) – איטרטור זה מאפשר רק קריאת האיבר עליו הוא מצביע וקידום לאיבר הבא ברצף. איטרטור פלט (output iterator) – איטרטור זה מאפשר רק כתיבה (השמה) לתוך האיבר אליו הוא מצביע וקידום לאיבר הבא ברצף. איטרטור חד-כיווני (forward iterator) – איטרטור זה מאפשר קריאה וכתיבה לאיבר שאליו הוא מצביע וקידום לאיבר הבא ברצף. לדוגמה: רשימה מקושרת חד-כיוונית מאפשרת אך ורק פעולות אלה. מחלקה זו נגזרת ממחלקת איטרטור הקלט ואיטרטור הפלט. איטרטור דו-כיווני (bidirectional iterator) – נגזר מאיטרטור חד-כיווני. מאפשר גם מעבר לאיבר הקודם ולא רק לאיבר העוקב. לדוגמה: רשימה מקושרת דו-כיוונית מאפשרת אך ורק פעולות אלה. איטרטור גישה אקראית (random access iterator) – נגזר מאיטרטור דו-כיווני. מאפשר גישה אקראית לאיברים שברצף, כלומר ניתן לגשת באמצעות אינדקס לכל אחד מהאיברים הבאים או הקודמים תוך זמן קבוע. ניתן לקבל את האיטרטור למבנה נתונים מסוים באמצעות קריאה לפונקציית begin()‎ או end()‎. האיטרטורים, וחלוקתם לסוגים אלה, מאפשרים להגדיר אלגוריתמים גנריים. למשל מיון מהיר הממומש ב-STL יכול לקבל אך ורק איטרטור גישה אקראית ואילו אלגוריתם הסיכום יכול לקבל כל איטרטור קלט שהוא (והנגזרים ממנו). STL מגדירה אלגוריתמים נפוצים לשימוש המתכנת. על אף שרובם פשוטים, הם מאפשרים להימנע מכתיבת לולאות רבות. האלגוריתמים שעובדים עם רצפים מקבלים איטרטורים לתחילת הרצף ולסוף הרצף. בין האלגוריתמים האלה קיימים אלגוריתמים: שלא משנים את הרצף – בודקים שני רצפים לשוויון, מחפשים איבר בתוך הרצף (חיפוש בינארי וחיפוש ליניארי), סופרים את הופעת האובייקט בתוך הרצף, מחפשים תת-רצף בתוך הרצף הנתון. משנים את הרצפים – מעתיקים רצף, מאתחלים רצף, מוחקים מהרצף את הופעות האובייקט, מערבבים את האיברים. ממיינים את הרצף – במיון מהיר, מיון השומר על הסדר של איברים שווים, מיון חלקי. עובדים עם רצפים ממויינים – מיזוג רצפים, פעולות על קבוצות. מממשים ערימה – הוספה, מיון ומחיקה מערימה. C++‎ הספרייה התקנית של C++‎ אתר באנגלית המכיל את פירוט מבני הנתונים, והאלגוריתמים. הרצאה על הספרייה הסטנדרטית במסגרת קורס באוניברסיטה העברית