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

• 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.

1.2.2. Типы, определенные в контейнерах. Параметры конструкторов

Для доступа к указанным типам используется нотация ::, например vector<int>::iterator.

Типы итераторов, связанные с данным контейнером.

Типы ссылок на элементы данного контейнера.

Типы указателей на элементы данного контейнера.

Тип, используемый при указании размера контейнера.

Тип элементов контейнера (T для последовательных контейнеров, Key для (мульти)множеств, pair<const Key, T> для (мульти)отображений).

Тип Key (элементы-ключи для (мульти)множеств, ключи для (мульти)отображений).

Тип значений T для (мульти)отображений.

Тип функционального объекта, используемого при сравнении ключей типа key_type.

Тип функционального объекта, используемого при сравнении элементов типа value_type по ключу типа key_type.

Ниже приводятся варианты параметров для конструкторов контейнеров. Большинство вариантов может использоваться для всех видов рассматриваемых контейнеров; единственный особый вариант для последовательных контейнеров помечен соответствующим образом. Следует обратить внимание на вариант конструктора, появившийся в стандарте C++11 и использующий список инициализации.

Создает пустой контейнер. Для ассоциативных контейнеров можно дополнительно указать операцию сравнения comp (по умолчанию используется операция сравнения Compare(), взятая из шаблона).

Создает контейнер, содержащий элементы (типа value_type) из диапазона [InIterFirst, InIterLast). Для ассоциативных контейнеров можно дополнительно указать операцию сравнения comp (по умолчанию используется операция сравнения Compare(), взятая из шаблона). Для ассоциативных контейнеров вставляемые элементы не обязаны быть упорядоченными, однако если они упорядочены, то время их вставки ускоряется.