标准模板库

标准模板库（Standard Template Library，缩写：STL），是一个C++软件库，大量影响了C++标准程序库但并非是其的一部分。其中包含4个组件，分别为算法、容器、函数、迭代器。

模板是C++程序设计语言中的一个重要特征，而标准模板库正是基于此特征。标准模板库使得C++编程语言在有了同Java一样强大的类库的同时，保有了更大的可扩展性。

## 历史

标准模板库系由亚历山大·斯特潘诺夫创造于1979年前后，这也正是比雅尼·斯特劳斯特鲁普创造C++的年代。

虽然David R. Musser于1971年开始即在计算机几何领域发展并倡导某些泛型程序设计观念，但早期并没有任何程式语言支援泛型程序设计。Alex和Musser曾于1987开发出一套相关的Ada library.

标准模板库设计人Stepanov早期从事教育工作，1970年代研究泛型程序设计，那时他与其同事一起在GE公司开发出一个新的程序语言——Tecton。

1983年，Stepanov先生转至纽约大学坦登工程学院担任助理教授，继续研究泛型程序设计，同时写了许多Scheme的程序，应用在graph与network的算法上，1985年又转至GE公司专门教授高阶程序设计，并将graph与network的Scheme程式，改用Ada写，用了Ada以后，他发现到一个动态（dynamically）类型的程序（如Scheme）与强制（strongly）类型的程序（如Ada）有多么的不同。

在动态类型的程序中，所有类型都可以自由的转换成别的类型，而强制类型的程序却不能。但是，强制类型在出错时较容易发现程序错误。

1988年Stepanov先生转至HP公司执行开发泛型程序库的工作。此时，他已经认识C语言中指标(pointer)的威力，他表示一个程序员只要有些许硬件知识，就很容易接受C语言中指标的观念，同时也了解到C语言的所有数据结构均可以指标间接表示，这点是C与Ada、Scheme的最大不同。

Stepanov并认为，虽然C++中的继承功能可以表示泛型设计，但终究有个限制。虽然可以在基础类型（superclass）定义算法和接口，但不可能要求所有物件皆是继承这些，而且庞大的继承体系将减低虚拟（virtual）函数的执行效率，这便违反的前面所说的“效率”原则。

到了C++模板观念，Stepanov参加了许多有关的研讨会，与C++之父比雅尼讨论模板的设计细节。如，Stepanov认为C++的函数模板（function template）应该像Ada一样，在声明其函数原型后，应该显式的声明一个函数模板之实例（instance）；比雅尼则不然，他认为可以透过C++的重载（overloading）功能来表达。

Stepanov想像中的函数模板：

```cpp
   //in *.hpp
   template<class T>
   T square(T x) { return x*x; }
 
   //in *.cpp
   double square(double);
   cout << square(3.3);
   int square(int);
   cout << square(3);
```

比雅尼认为的函数模板：

```cpp
   //in *.hpp
   template<class T>
   T square(T x) { return x*x; }
 
   //in *.cpp
   cout << square(3.3);
   cout << square(3);
```

几经争辩，Stepanov发现比雅尼是对的（参考侯俊杰《标准模板库讲座·第三章》）。事后Stepanov回想起来非常同意比雅尼的作法。

template 引数推导机制（arguments deduction），在标准模板库中占非常重要的角色。Alexander Stepanov（标准模板库创造者）在与Dr. Dobb's Journal进行的访谈中说道‘1992 我重回generic-library的开发工作。这时候C++有了template 我发现比雅尼完成了一个非常美妙的设计。之前我在Bell Lab曾参与数次模板的相关设计讨论，并且非常粗暴地要求比雅尼应该将C++模板设计得尽可能像Ada generics那样。我想由于我的争辩是如此地粗暴，他决定反对。我了解到在C++中除了拥有类模板（class template）之外还拥有函数模板的重要性。然而我认为函数模板应该像Ada generics一样，也就是说它们应该是显式实例，比雅尼没有听进我的话，他设计了一个函数模板机制，其中的‘模板’是以一个重载化机制（overloading mechanism）来进行隐式实例这项特殊的技术对我的工作具有关键性的影响，因为我发现它使我得以完成Ada不可能完成的许多动作。我非常高兴比雅尼当初没有听我的意见。’（DDJ 1995 年三月号）

事实上，C++的模板，本身即是一套复杂的宏语言（macro language），宏语言最大的特色为：所有工作在编译时期就已完成。显式的声明函数模板之实例，与直接透过C++的多载功能隐式声明，结果一样，并无很大区别，只是前者加重程序员的负担，使得程式变得累赘。

1992年Meng Lee加入Alex的专案，成为另一位主要贡献者。

1992年，HP泛型程序库计划结束，小组解散，只剩下Stepanov先生与Meng Lee小姐（她是东方人，标准模板库的英文名称其实是取STepanov与Lee而来），Lee先前研究的是编译器的制作，对C++的模板很熟，第一版的标准模板库中许多程式都是Lee的杰作。

1993年，Andy Koenig到斯坦福大学演讲，Stepanov便向他介绍标准模板库，Koenig听后，随即邀请Stepanov参加1993年11月的ANSI/ISO C++标准化会议，并发表演讲。

Bell实验室的Andrew Koenig于1993年知道标准模板库研究计划后，邀请Alex于是年11月的ANSI/ISO C++标准委员会会议上展示其观念。并获得与会者热烈的回应。

1994年1月6日，Koenig寄封电子邮件给Stepanov，表示如果Stepanov愿意将标准模板库的说明文件撰写齐全，在1月25日前提出，便可能成为标准C++的一部分。Stepanov回信道："Andy, are you crazy?"。Koenig便说："Well, yes I am crazy, but why not try it?"。

Alex于是在次年夏天在滑铁卢举行的会议前完成其正式的提案，并以百分之八十压倒性多数，一举让这个巨大的计划成为C++ Standard的一部分。

标准模板库于1994年2月年正式成为ANSI/ISO C++的一部分，它的出现，促使C++程序员的思维方式更朝向泛型编程（generic program）发展。

## 内容

STL 将“在数据上执行的操作”与“要执行操作的数据分开”，分别以如下概念指代：

- 容器：包含、放置数据的地方。
- 迭代器：在容器中指出一个位置、或成对使用以划定一个区域，用来限定操作所涉及到的数据范围。
- 算法：要执行的操作。

### 容器

标准模板库包含了序列容器（sequence containers）与关联容器（associative containers）。

资料容器｜描述

序列容器 - 有序集

vector｜动态数组，兼容C语言数组。vector可以如同阵列一样的存取方式，例如使用下标（operator）运算子，并记得自己的长度资讯（size），您也可以使用物件的方式来存取vector（push_back、pop_back）。使用vector可以轻易地定义多维可调整型阵列（std::vector >）。要使用vector，必须含入vector表头档。vector可在O(1)内完成在末尾插入 / 移除元素，但在vector中间或开头插入/移除元素，则需要消耗O(n)时间。

list｜list容器是一个有序（Ordered）的资料结构（循序容器），每个元素中存储着上一个元素和下一个元素的地址（指针），因此是一个双向链接的链表。与vector相比，其元素的访问速度较慢，而在已知元素位置的情况下，插入和删除速度较快。STL容器中唯一支持事务语义。

forward_list（单向链表）｜list的单链表版，去掉了一些操作。

deque（双端队列）｜可看做为能在常量时间内完成向开头或结尾插入或删除元素的vector，但是修改之后，其迭代器的有效性就无法得到保障。

array｜只能在初始化时指定大小的数组，可视为内置数组的封装。

关联容器 - 无序集

set｜不重复元素的集合。

multiset｜跟set具有相同功能，但允许重复的元素。

map｜关联数组，每个元素含有两个数据项，map将一个数据项映射到另一个数据项中。

multimap｜跟map具有相同功能，但允许重复的键值。

unordered_setunordered_multisetunordered_mapunordered_multimap｜分别类似于集合、多重集合、映射、多重映射，但使用哈希表实现。它的键（Keys）没有排序（operator<），但是必须存在一个从键类型到size_t的哈希函数、且要求键之间可以判等（operator==）。自C++11起进入语言标准。

其他类型的容器

bitset｜存储系列位类似的固定大小的布尔向量。实现按位运算，没有迭代器，不是序列。可视为std::array。若需要改变序列长度，可用std::vector。

valarray｜数值类型的std::vector。牺牲泛型能力而专为数值计算做了优化，例如在数组上的sin操作可对数组内所有数值取正弦。有些实现会对std::valarray应用向量指令等优化手段。一个观点是里面全是数值类型的valarray才是数学意义上的向量，而可以泛型的vector更该叫array——编程语言中的数组。

### 迭代器

迭代器是泛化的指针，通过使用迭代器，开发者可以操作数据结构而无需关心其内部实现。根据迭代器的操作方式的不同，迭代器分为五种：

- 输入迭代器
- 输出迭代器
- 前向迭代器
- 双向迭代器
- 随机访问迭代器

### 算法

STL提供了一些常见 的算法，如排序和搜索等。这些算法与数据结构的实现进行了分离。因此，也可对自定义的数据结构使用这些算法，只需让这些自定义的数据结构拥有算法所预期的迭代器。

### 函数对象

狭义的函数对象即重载了操作符的类的实例，而广义来讲所有可用 x(...) 形式调用的 x 都可称为函数对象、或曰可调用对象。

### 适配器（Adaptor）

适配器为一个模板类，用于提供接口映射。

## 与C++标准程式库的差异

一个常见的误解是STL是C++标准程式库的一部分，但事实上并非如此。例如hash table的资料结构实作在STL中有模板可供调用，但C++标准程式库一直到C++11才加入了。参见无序关联容器 (STL)。

## 外部链接

- C/C++ reference includes a section on the STL
- STL programmer's guide official guide from SGI
- Bjarne Stroustrup on The emergence of the STL (Page 5, Section 3.1)
- Apache stdcxx portable Open Source implementation based on Rogue Wave STL
- STLport multiplatform STL implementation
- Dinkumware commercial STL implementation (ships with Visual C++ and several other compilers)
- Rogue Wave STL Class Reference
- MPTL shared-memory parallel extension of the STL using the Native POSIX Thread Library。
- STXXL: an STL implementation for external memory.
- STLSoft libraries：open-source, 100% header-only, C/C++ libraries of technology-specific facades and STL extensions.