Эффективное использование STL - Скотт Мейерс

Три публикации упоминаются так часто, что номер ссылки обычно не указывается. Первая из них, Международный стандарт C++ [5], в книге именуется просто «Стандартом». Две другие — мои предыдущие книги о C++, «Effective C++» [1] и «More Effective C++» [2].

STL и Стандарты

В книге я часто ссылаюсь на Стандарт C++, потому что основное внимание уделяется переносимой, стандартной версии C++. Теоретически все примеры, приведенные в книге, должны работать во всех реализациях C++. К сожалению, на практике это не так. Вследствие недоработок в компиляторах и реализациях STL даже правильный код иногда не компилируется или работает не так, как положено. В самых типичных случаях описывается суть проблемы и предлагаются обходные решения.

Иногда самый простой выход заключается в переходе на другую реализацию STL (пример приведен в приложении Б). Чем больше вы работаете с STL, тем важнее отличать компилятор от реализации библиотеки. Когда у программиста возникают проблемы с компиляцией правильного кода, он обычно винит во всем компилятор. Однако при работе с STL компилятор может быть в полном порядке, а проблемы оказываются связанными с ошибками в реализации. Чтобы подчеркнуть зависимость программ как от компилятора, так и от реализации библиотеки, я использую термин «платформа STL», под которым понимается комбинация конкретного компилятора с конкретной реализацией STL. Если в книге говорится о проблеме компилятора, значит, виноват именно компилятор. Но если речь идет о проблеме платформы STL, это следует понимать так: «виноват то ли компилятор, то ли библиотека, а может, и то и другое».

Обычно я говорю о компиляторах во множественном числе. Я искренне убежден в том, что проверка работоспособности программы на нескольких компиляторах улучшает ее качество (и особенно переносимость). Более того, использование нескольких компиляторов помогает распутать гордиев узел сообщений об ошибках, выданных при неправильном применении STL (рекомендации по расшифровке этих сообщений приводятся в совете 49).

Уделяя особое внимание тому, чтобы код соответствовал стандартам, я также стремлюсь избежать конструкций с непредсказуемым поведением. Последствия выполнения таких конструкций на стадии работы программы могут быть любыми. К сожалению, иногда эти конструкции могут делать именно то, что требуется, а это создает вредные иллюзии. Слишком многие программисты считают, что непредсказуемое поведение всегда ведет к очевидным проблемам, то есть сбоям обращений к сегментам или другим катастрофическим последствиям. Результаты могут быть гораздо более тонкими (например, искажение данных, редко используемых в программе); кроме того, разные запуски программы могут приводить к разным результатам. У непредсказуемого поведения есть хорошее неформальное определение: «Работает у меня, работает у тебя, работает во время тестирования, но не работает у самого важного клиента». Непредсказуемого поведения следует избегать, поэтому я особо выделяю некоторые стандартные случаи в книге. Будьте начеку и учитесь распознавать ситуации, чреватые непредсказуемым поведением.

Подсчет ссылок

При описании STL практически невозможно обойти стороной подсчет ссылок. Как будет показано в советах 7 и 33, любая архитектура, основанная на контейнерах указателей, практически всегда основана на подсчете ссылок. Кроме того, подсчет ссылок используется во многих внутренних реализациях string, причем, как показано в совете 15, это обстоятельство иногда приходится учитывать при программировании. Предполагается, что читатель знаком с основными принципами работы механизма подсчета ссылок, а если не знаком — необходимую информацию можно найти в любом учебнике C++ среднего или высокого уровня. Например, в книге «More Effective C++» соответствующий материал приведен в советах 28 и 29. Но даже если вы не знаете, что такое подсчет ссылок, и не горите желанием поскорее узнать, не беспокойтесь. Материал книги в целом все равно останется вполне доступным.

string и wstring

Все, что говорится о контейнере string, в равной степени относится и к wstring, его аналогу с расширенной кодировкой символов. Соответственно, любые упоминания о связи между string и char или char* относятся и к связи между wstring и wchar_t или wchar_t*. Иначе говоря, отсутствие специальных упоминаний о строках с расширенной кодировкой символов не означает, что в STL они не поддерживаются. Контейнеры string и wstring являются специализациями одного шаблона basic_string.

Терминология

Данная книга не является учебником начального уровня по STL. Предполагается, что читатель уже владеет основными материалом. Тем не менее следующие термины настолько важны, что я счел необходимым особо выделить их.

• Контейнеры vector, string, deque и list относятся к категории стандартных последовательных контейнеров. К категории стандартных ассоциативных контейнеров относятся контейнеры set, multiset, map и multimap.

• Итераторы делятся на пять категорий в соответствии с поддерживаемыми операциями. Итераторы ввода обеспечивают доступ только для чтения и позволяют прочитать каждую позицию только один раз. Итераторы вывода обеспечивают доступ только для записи и позволяют записать данные в каждую позицию только один раз. Итераторы ввода и вывода построены по образцу операций чтения-записи в потоках ввода-вывода (например, в файлах), поэтому неудивительно, что самыми распространенными представителями итераторов ввода и вывода являются istream_iterator и ostream_iterator соответственно.

Прямые итераторы обладают свойствами итераторов ввода и вывода, но они позволяют многократно производить чтение или запись в любой позиции. Оператор — ими не поддерживается, поэтому они позволяют производить передвижение только в прямом направлении с некоторой степенью эффективности. Все стандартные контейнеры STL поддерживают итераторы, превосходящие эту категорию итераторов по своим возможностям, но, как будет показано в совете 25, одна из архитектур хэшированных контейнеров основана на использовании прямых итераторов. Контейнеры односвязных списков (см. совет 50) также поддерживают прямые итераторы.

Двусторонние итераторы похожи на прямые итераторы, однако они позволяют перемещаться не только в прямом, но и в обратном направлении. Они поддерживаются всеми стандартными ассоциативными контейнерами, а также контейнером list.

Итераторы произвольного доступа обладают всеми возможностями двусторонних итераторов, но они также позволяют переходить в прямом или обратном направлении на произвольное расстояние за один шаг. Итераторы произвольного доступа поддерживаются контейнерами vector, string и deque. В массивах функциональность итераторов произвольного доступа обеспечивается указателями.

• Любой класс, перегружающий оператор вызова функции (то есть operator()), является классом функтора. Объекты, созданные на основе таких классов, называются объектами функций, или функторами. Как правило, в STL объекты функций могут свободно заменяться «обычными» функциями, поэтому под термином «объекты функций» часто объединяются как функции C++, так и функторы.

• Функции bind1st и bind2nd называются функциями привязки (binders).

Революционным новшеством STL являются гарантии сложности, то есть ограничения объема работы, выполняемой любыми операциями STL. Таким образом, программист может сравнить относительную эффективность нескольких решений в зависимости от платформы STL. Гарантии сложности выражаются в виде функции от количества элементов в контейнере или интервале (п).

• Операция с постоянной сложностью выполняется за время, не зависящее от п. Например, вставка элемента в список выполняется с постоянной сложностью. Сколько бы элементов ни содержал список, один или миллион, вставка будет занимать практически одинаковое время.

Термин «постоянная сложность» не стоит воспринимать буквально. Он означает не то, что время выполнения операции остается строго постоянной величиной, а лишь то, что оно не зависит от п. Например, на двух разных платформах STL время выполнения операции «с постоянной сложностью» может заметно отличаться. Такое бывает, когда одна библиотека использует более совершенную реализацию алгоритма или один компилятор выполняет более активную оптимизацию.

• Операции с логарифмической сложностью с ростом n выполняются за время, пропорциональное логарифму п. Например, операция с миллионом элементов будет выполняться только в три раза дольше операции с сотней элементов, поскольку log n³ = 3 log n. Многие операции поиска в ассоциативных контейнерах (например, set::find) обладают логарифмической сложностью.