Программирование • 25 октября 2024 • 5 мин чтения

STL: стандартная библиотека шаблонов C++

Рассказываем, из чего состоит стандартная библиотека C++, что такое контейнеры, алгоритмы и итераторы, какие ещё полезные шаблоны есть в STL.

Структура библиотеки STL

Стандарт языка программирования C++ состоит из двух частей: 

  1. Core Guidelines. Это ядро языка, которое включает в себя указания по поводу того, каким должен быть корректный код и как он должен работать.
  2. Стандартная библиотека шаблонов (англ. Standard Template Library, STL). Это набор классов и функций в C++, которые по умолчанию поставляются вместе с компилятором и решают большинство задач. Чаще всего разработчики называют её просто стандартной библиотекой. 

Поговорим подробнее о структуре STL. Чтобы использовать шаблон из библиотеки, в C++ нужно подключить соответствующий header — заголовок. Примеры разделов стандартной библиотеки: 

  • Контейнеры. Обеспечивают хранение различных данных и предоставляют механизмы доступа к ним.
  • Алгоритмы. Выполняют различные операции над данными, хранящимися в контейнерах.
  • Итераторы. Используются для перемещения по элементам контейнера и доступа к их значениям. Итераторы в STL позволяют использовать одни и те же алгоритмы с разными типами контейнеров.
  • Функциональные объекты. Содержат инструменты для использования функционального стиля в C++ — например, позволяют использовать функцию как объект.
  • Утилиты. Вспомогательные функции и классы для работы с другими компонентами STL.

Схема контейнеров стандартной библиотеки шаблонов C++, которая позволяет разработчикам сосредоточиться на логике программы, а не на деталях реализации. Источник: Wikipedia

Разобраться, как использовать STL в программировании, можно на курсе «Разработчик C++». С нуля за 9 месяцев студенты учатся писать эффективный код, изучают алгоритмы и структуры данных языка, а по итогам обучения имеют портфолио из десяти проектов.

Разберём подробнее первые три раздела STL, которые программисты используют чаще всего.

Контейнеры

Контейнеры в C++ — это структуры данных в стандартной библиотеке, которыми разработчики пользуются постоянно. Они нужны для хранения и организации элементов определённого типа. По сути, контейнер — это объект, поддерживающий добавление в него других объектов.

Рассмотрим примеры контейнеров в STL.

1. Последовательные контейнеры

array (статический массив). Это набор элементов одного типа. Размер массива должен быть известен во время компиляции, что ограничивает его гибкость, но он полезен в ситуациях, когда требуется высокая эффективность. Главный плюс: array не использует медленные операции работы с динамической памятью.
vector (динамический массив). При работе с таким контейнером STL компьютер не производит лишних операций, но и не проводит проверок. К примеру, если обратиться к 15-му элементу вектора, нужно заранее проверить, что он существует. В противном случае программа может начать вести себя нестандартно.
list (двусвязный список). Обеспечивает быстрое добавление и удаление элементов в любом месте списка, позволяет перемещаться по нему и изменять порядок объектов.

2. Ассоциативные контейнеры

set (множество). Это контейнер STL, в котором хранится множество уникальных элементов. set чаще используется, чтобы проверить, есть ли в списке нужное значение.
map (ассоциативный массив, словарь). Нужен для хранения данных, к которым требуется быстрый доступ по ключу. Обеспечивает уникальность ключей, что делает его полезным для реализации словарей и других структур данных.

3. Контейнеры STL, не хранящие объекты

string_view. Шаблон стандартной библиотеки C++, который представляет собой обёртку над последовательностью символов. Он не владеет памятью и не копирует данные, а просто ссылается на существующую строку. Используется для работы с подстроками или частями строк без создания новых объектов.
mdspan. Это многомерный диапазон элементов. Полезен для описания блоков памяти фиксированного размера и обеспечивает быстрый доступ к элементам по индексу. Пригодится для работы с многомерными массивами и матрицами.

Возьмём для примера хранение финансовой информации в контейнерах STL. Код может быть таким:

// Храним в словаре (map) состояние банковских счетов.
map<string, int64_t> accounts;
accounts["Jeff"] = 10000000;
accounts["Bill"] = 50000000;
accounts["Elon"] = 100000000;
accounts["Mark"] = 150000000;

Алгоритмы

Алгоритмы в C++ — это функции стандартной библиотеки, которые подходят для работы с любыми контейнерами и типами данных. Они могут выполнять различные базовые операции. Например, find и binary_search используются для поиска, sort и stable_sort — для сортировки, а accumulate и partial_sum — для суммирования большого числа слагаемых.

В STL есть несколько видов алгоритмов:

Немодифицирующие операции — не меняют порядок элементов в контейнере, а только обрабатывают их значения. Например, find, count, equal_range и adjacent_find.
Модифицирующие операции — меняют порядок или значения элементов контейнера в стандартной библиотеке STL. Например, sort, reverse, rotate, unique.
Алгоритмы для работы с итераторами — взаимодействуют только с ними, но не с контейнерами. Например, copy, swap, fill, generate.
Алгоритмы поиска и сортировки — нужны, чтобы находить или сортировать элементы по определённому условию. Например, binary_search, lower_bound, upper_bound, merge.
Генераторы — создают новые элементы или последовательности. Например, transform, accumulate, inner_product.

Представим, что нужно создать звуковой сигнал. Это можно сделать с помощью алгоритма STL:

std::vector<uint16_t> signal;
signal.reserve(48000);

using namespace std;
for (auto i : views::iota(0, 240)) {
// Алгоритм fill_n используется, чтобы создать прямоугольный
// сигнал — меандр.
fill_n(back_inserter(signal), 100, 10000);
fill_n(back_inserter(signal), 100, -10000);
}

Итераторы

Итераторы в STL — это обобщённые указатели для перебора элементов в контейнерах. Они указывают на элемент в последовательности и помогают перемещаться по ней. Это позволяет использовать алгоритмы, независимые от типа контейнера.

В стандартной библиотеке C++ есть несколько категорий итераторов:

InputIterator — позволяет читать элементы.
OutputIterator — используется для записи элементов.
ForwardIterator — объединяет возможности InputIterator и OutputIterator.
BidirectionalIterator — поддерживает движение как вперёд, так и назад.
RandomAccessIterator — поддерживает быстрые перемещения на любое количество шагов.

Возьмём для примера задачу, когда нужно выбрать отличников класса, чтобы отправить их в поход. Код может быть таким:

// Отсортируем учеников по имени
ranges::sort(students, {}, &Student::name);
// Учеников с фамилиями на A–M поведёт в поход учитель
// физики. Учеников с фамилиями на N–Z — учитель химии.
// Найдём первого ученика на N. Он будет задан итератором:
auto iter = lower_bound(students, "N");
// Теперь отсортируем по оценкам отдельно обе половинки.
auto score_is_better = [](const Student& l, const Student& r) {
return l.score > r.score;
};
std::sort(students.begin(), iter, score_is_better); // От начала до iter.
std::sort(iter, students.end(), score_is_better); // От iter до конца.

Полезные шаблоны STL

Помимо контейнеров, алгоритмов и итераторов, в стандартной библиотеке C++ есть много интересных функций и классов, которые пригодятся разработчику.

optional. Шаблон класса, который используется для хранения объекта, но может не содержать его. Он подходит для поиска, если есть вероятность отсутствия элемента.
print. Функция для вывода текстовой информации в консоль. Ещё на этапе компиляции она может разобрать формат данных и определить, куда поставить каждый элемент.
Хедеры времени. В STL есть отдельная библиотека для работы со временем, в которой содержатся шаблоны, например момент времени и длительность. Также там есть несколько видов часов, например system_clock или steady_clock. Хедеры времени позволяют проводить с ним разные операции — допустим, прибавить тысячу секунд к определённому моменту.
memory. Умные указатели, которые отслеживают использование объектов и удаляют ненужные. В C++ нет сборщика мусора, и есть миф, что нужно вручную отслеживать лишние элементы и стирать их с помощью функций new и delete. Но в современном программировании лучше использовать умные указатели и другие способы, например хранение в статической памяти.
atomic. Средство в STL для работы с переменными, которые могут быть изменены одновременно из разных потоков выполнения. Это позволяет избежать конфликтов при доступе к общим данным и обеспечить нормальную работу многопоточных программ.
ranges. Раздел стандартной библиотеки шаблонов, который используется для упрощения работы с последовательностями элементов, например с массивами и векторами. Позволяет выполнять операции над диапазонами элементов без необходимости явного указания начала и конца последовательности. С помощью ranges можно организовать фильтрацию диапазона сразу по нескольким критериям. При этом шаблон не будет совершать лишних действий, а пройдёт один раз и сразу проверит элементы на соответствие всем критериям.

Совет эксперта

Георгий Осипов
При работе со стандартной библиотекой стоит не оглядываться в прошлое, а смотреть в будущее. То есть применять все нововведения STL, например ranges, которые не используют многие программисты. C++ — быстро меняющийся язык, но среди разработчиков есть некоторые стереотипы о нём, которые уже не соответствуют действительности. Если когда-то язык был сложным, то сейчас в нём появилось большое количество шаблонов, которые существенно упрощают работу.
Статью подготовили:
Георгий Осипов
Яндекс
Разработчик
Женя Соловьёва
Яндекс Практикум
Редактор
Полина Овчинникова
Яндекс Практикум
Иллюстратор

Дайджест блога: ежемесячная подборка лучших статей от редакции

Поделиться
Раскрываем секреты трудоустройства в Т‑Банк на бесплатном вебинаре Практикума 9 декабря
Fri Nov 15 2024 13:34:40 GMT+0300 (Moscow Standard Time)