泛型編程與設計新思維之一
前言
永遠記住，編寫代碼的宗旨在於簡單明瞭，不要使用語言中的冷僻特性，耍小聰明，重要的是編寫你理解的代碼，理解你編寫的代碼，這樣你可能會做的更好。
--- Herb Sutter
1998年，國際C++標準正式通過，標準化對C++最重要的貢獻是：對“強大的抽象概念”給於更有力的支持，以降低軟件的複雜度，C++提供了二種功能強大的抽象方法：面向對象編程與泛型編程。面向對象編程大家一定很熟悉了，這裏就不再哆嗦了。提到泛型編程(Generic Programming)，有的人可能還不太熟悉，但是提到STL，你就一定會有所耳聞了。STL(Standard Template Library，標準模板庫) 其實就是泛型編程的實現品，STL是由Alexander Stepanov(STL之父)、David R Musser和Meng Lee三位大師共同發展，於1994年被納入C++標準程序庫。STL雖然加入C++標準庫的時間相對較晚，但它卻是C++標準程序庫中最具革命性的部分，同時也是C++標準程序庫中最重要的組成部分。由於新的C++標準庫中幾乎每一樣東西都是由模板(Template)構成的，當然，STL也不會例外。所以，在這裏有必要先概要說明一下模板的有關概念。
模板概念
通過使用模板可以使程序具有更好的代碼重用性。記住，模板是對源代碼進行重用，而不是通過繼承和組合重用對象代碼，當用戶使用模板時，參數由編譯器來替換。模板由類模板和函數模板二部分組成，以所處理的數據類型的說明作爲參數的類就叫類模板，而以所處理的數據類型的說明作爲參數的函數叫做函數模板。模板參數可以由類型參數或非類型參數組成，類型參數可用class和typename關鍵字來指明，二者的意義相同，都表示後面的參數名代表一個潛在的內置或用戶定義的類型，非類型參數由一個普通參數聲明構成。下面是類模板和函數模板的簡單用法：
template<class T1, int Size>
class Queue // 類模板，其中T1爲類型參數，Size爲非類型參數
{
public:
explicit Queue():size_(Size){}; // 顯式構造，避免隱式轉換
……
template<class T2> void assign(T2 first,T2 last); // 內嵌函數模板
private:
T* temp_;
int size_;
}
// 類模板中內嵌函數模板Compare的外圍實現(如在Queue類外實現)
template<class T1,int Size> template<class T2>
void Queue<T1,Size>::assign (T2 first,T2 last) {};
// 模板的使用方法
int ia[4] = {0,1,2,3};
Queue<int, sizeof(ia)/sizeof(int)> qi;
qi.assign(ai,ai+4);
泛型編程
泛型編程和麪向對象編程不同，它並不要求你通過額外的間接層來調用函數，它讓你編寫完全一般化並可重複使用的算法，其效率與針對某特定數據類型而設計的算法相同。泛型編程的代表作品STL是一種高效、泛型、可交互操作的軟件組件。所謂泛型(Genericity)，是指具有在多種數據類型上皆可操作的含意，與模板有些相似。STL巨大，而且可以擴充，它包含很多計算機基本算法和數據結構，而且將算法與數據結構完全分離，其中算法是泛型的，不與任何特定數據結構或對象類型系在一起。STL以迭代器(Iterators)和容器(Containers)爲基礎，是一種泛型算法(Generic Algorithms)庫，容器的存在使這些算法有東西可以操作。STL包含各種泛型算法(algorithms)、泛型指針(iterators)、泛型容器(containers)以及函數對象(function objects)。STL並非只是一些有用組件的集合，它是描述軟件組件抽象需求條件的一個正規而有條理的架構。
迭代器(Iterators)是STL的核心，它們是泛型指針，是一種指向其他對象(objects)的對象，迭代器能夠遍歷由對象所形成的區間(range)。迭代器讓我們得以將容器(containers)與作用其上的算法(algorithms)分離，大多數的算法自身並不直接操作於容器上，而是操作於迭代器所形成的區間中。迭代器一般分爲五種：Input Iterator、Output Iterator、Forward Iterator、Bidirections Iterator和Random Access Iterator。Input Iterator就象只從輸入區間中讀取數據一樣，具有隻讀性，屬於單向移動，如STL中的istream_iterator。Output Iterator剛好相反，只寫出數據到輸出區間中，具有隻寫性，屬於單向移動，如STL中的ostream_iterator。Forward Iterator也屬於單向移動，但不同之處是它同時具有數據讀、寫性。Bidirections Iterator如名稱暗示，支持雙向移動，不但可以累加(++)取得下一個元素，而且可以遞減(--)取前一個元素，支持讀、寫性。Random Access Iterator功能最強，除了以上各迭代器的功能外，還支持隨機元素訪問(p+=n)，下標(p[n])、相減(p1-p2)及前後次序關係(p1<p2)等。Input Iterator和Output Iterator屬於同等最弱的二種迭代器，Forward Iterator是前二者功能的強化(refinement)，Bidirections Iterator又是Forward Iterator迭代器的強化，最後Random Access Iterator又是Bidirections Iterator迭代器的強化。如下簡單示例展示Input Iterator、Forward Iterator、Bidirections Iterator和Radom Access Iterator迭代器的功能（其中input_iterator_tag等帶tag字符串爲各不同迭代器的專屬標識）：
1、InputIterator
template<class InputIterator, class Distance>
void advance(InputIterator& i, Distance n, input_iterator_tag)
{
for(; n>0; --n,++i){} // InputIterator具有++性
}
2、ForwardIterator
template<class ForwardIterator, class Distance>
void advance(ForwardIterator& i, Distance n,forward_iterator_tag)
{
advance(i, n, input_iterator_tag());
}
3、BidirectionalIterator
template<class BidirectionalIterator, class Distance>
void advance(BidirectionalIterator& i, Distance n, bidirectional_iterator_tag)
{
if(n>=0) // 具有++、--性
for(; n>0; --n,++i){}
else
for(; n>0; ++n,--i){}
}
4、RandomAccessIterator
template<class RandomAccessIterator, class Distance>
void advance(RandomAccessIterator& i, Distance n, random_access_iterator_tag)
{
i += n; // 具有++、--、+=等性
}
函數對象(Function object)也稱仿函數(Functor)，是一種能以一般函數調用語法來調用的對象，函數指針(Function pointer)是一種函數對象，所有具有operator()操作符重載的成員函數也是函數對象。函數對象一般分爲無參函數(Generator)，單參函數(Unary Function)和雙參函數(Binary Function)三種形式，它們分別能以f()、f(x)和f(x,y)的形式被調用，STL定義的其他所有函數對象都是這三種概念的強化。如下簡單示例展示幾種形式的實現：
1、無參(Generator)形式
struct counter
{
typedef int result_type;
counter(result_type init=0):n(init){}
result_type operator() { return n++;}
result_type n;
}
2、單參(Unary Function)形式
template<class Number> struct even // 函數對象even，找出第一個偶數
{
bool operator()(Number x) const {return (x&1) == 0;}
}
// 使用算法find_if在區間A到A+N中找到滿足函數對象even的元素
int A[] = {1,0,3,4};
const int N=sizeof(A)/sizeof(int);
find_if(A,A+N, even<int>());
3、雙參(Binary Function)形式
struct ltstr
{
bool operator()(const char* s1, const char* s2) const
{ return strcmp(s1<s2) < 0;}
};
// 使用函數對象ltstr，輸出set容器中A和B的並集
const int N=3
const char* a[N] = {“xjz”,”xzh”,”gh”};
const char* b[N]= {“jzx”,”zhx”,”abc”};
set<const char*,ltstr> A(a,a+N);
set<const char*,ltstr> B(b,b+N);
set_union(A.begin(),A.end(),B.begin(),B.end(), ostream_iterator<const char*>(cout,” “), ltstr());
容器(container)是一種對象(object)，可以包含並管理其它的對象，並提供迭代器(iterators)用以定址其所包含之元素。根據迭代器種類的不同，容器也分爲幾中，以Input Iterator爲迭代器的一般container，以Forward Iterator爲迭代器的Forward Container，以Bidirectional Iterator 爲迭代器的Reversible Container，以Random Access Iterator爲迭代器的Random Access Container。STL定義二種大小可變的容器：序列式容器(Sequence Container)和關聯式容器(Associative Container)序列式容器包括vector、list和deque，關聯式容器包括set、map、multiset和multimap。以下示例簡單說明部分容器的使用：
1、vector使用
// 將A中以元素5爲分割點，分別排序，使排序後5後面的元素都大於5之前的元素(後區間不排序)，然後輸出
int main()
{
int A[] = {7,2,6,4,5,8,9,3,1};
const int N=sizeof(A)/sizeof(int);
vector<int> V(A,A+N);
partial_sort(V,V+5,V+N);
copy(V,V+N,ostream_iterator<int>(cout,” “));
cout << endl;
}
輸出可能是：1 2 3 4 5 8 9 7 6
2、list使用
// 產生一空list，插入元素後排序，然後輸出
int main()
{
list<int> L1;
L1.push_back(0);
L1.push_front(1);
L1.insert(++L1.begin,3);
L1.sort();
copy(L1.begin(),L1.end(),ostream_iterator<int>(cout,” “));
}
輸出：0 1 3
3、deque使用
int main()
{
deque<int> Q;
Q.push_back(3);
Q.push_front(1);
Q.insert(Q.begin()+1,2);
Copy(Q.begin(),Q.end(),ostream_iterator<int>(cout,” “));
}
輸出：1 2 3
4、map使用
int main()
{
map<string,int> M;
M.insert(make_pair(“A”,11);
pair<map<string,int>::iterator, bool> p = M.insert(make_pair(“C”,5));
if(p.second)
cout << p.first->second<<endl;
}
輸出：5
5、multiset使用
int main()
{
const int N = 5;
int a[N] = {4,1,1,3,5};
multiset<int> A(a,a+N);
copy(A.begin(),A.end(),ostream_iterator<int>(cout,” “));
}
輸出：1 1 3 4 5