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

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

Учебник состоит из трех основных разделов. Первый раздел содержит описание стандартной библиотеки шаблонов C++, во втором приводятся примеры ее применения, а третий представляет собой задачник из 300 учебных заданий, охватывающих все разделы стандартной библиотеки. При описании библиотеки учитываются нововведения стандарта С++11. В четвертом, дополнительном разделе дается обзор средств электронного задачника Programming Taskbook for STL, позволяющих выполнять учебные задания более быстро и эффективно.

Для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению подготовки 02.03.02 «Фундаментальная информатика и информационные технологии».

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;