Эффективное использование STL

Эбби Стейли (Abby Staley) сделала мои воскресные обеды привычным, но приятным делом.

Как и во время работы над предыдущими шестью книгами и одним компакт-диском, моя жена Нэнси терпеливо сносила мою хроническую занятость и предлагала свою помощь и поддержку именно тогда, когда я в них больше всего нуждался. Она постоянно напоминала мне, что в жизни есть вещи получше С++ и программ.

Остается упомянуть нашу собаку Персефону. В день, когда я пишу эти строки, ей исполняется шесть лет. Сегодня мы с Нэнси и Персефоной отправимся в «Бас-кин-Роббинс». Как обычно, Персефоне достанется один шарик ванильного мороженого в вафельном стаканчике.

От издательства

Ваши замечания, предложения, вопросы, касающиеся русского издания этой книги, отправляйте по адресу электронной почты comp@piter.com (издательство «Питер», компьютерная редакция).

Мы будем рады узнать ваше мнение!

На web-сайте издательства http://www.piter.com вы найдете подробную информацию о наших книгак.

Введение

Вы уже знакомы с STL. Вы умеете создавать контейнеры, перебирать их содержимое, добавлять и удалять элементы, а также использовать общие алгоритмы — такие, как find и sort. Но вы никак не можете отделаться от впечатления, что используете лишь малую часть возможностей STL. Задачи, которые должны решаться просто, решаются сложно; операции, которые должны выполняться просто и прямолинейно, приводят к утечке ресурсов или ведут себя непредсказуемо. Процедуры, которые должны работать с максимальной эффективностью, поглощают больше времени или памяти, чем положено. Да, вы умеете использовать библиотеку STL, но не уверены в том, что используете ее эффективно. Я написал эту книгу для вас.

В ней я покажу, как организовать взаимодействие между компонентами STL с тем, чтобы в полной мере использовать архитектуру библиотеки. Вы научитесь разрабатывать простые решения для простых задач и проектировать элегантные решения для более сложных ситуаций. В книге описаны стандартные ошибки использования STL и приведены рекомендации относительно того, как их избежать. Это поможет ликвидировать утечку ресурсов, предотвратить появление непереносимого кода и непредсказуемое поведение программ. Различные приемы оптимизации кода заставят библиотеку STL работать быстро и эффективно, как и было задумано при ее проектировании.

Прочитав эту книгу, вы будете лучше программировать в STL. Программирование станет более продуктивным и интересным занятием. Работать с STL интересно, но эффективная работа с библиотекой — занятие чрезвычайно захватывающее, от которого просто невозможно оторваться. Даже при беглом взгляде на STL становится ясно, что это замечательная библиотека, но ее достоинства гораздо шире и глубже, чем можно себе представить. Я занимаюсь программированием около 30 лет, но я еще никогда не встречал ничего похожего на STL.

Определение, использование и расширение STL

У STL не существует официального определения, и разные авторы вкладывают в этот термин разный смысл. В этой книге термин «STL» относится к компонентам стандартной библиотеки С++, работающим с итераторами. К этой категории относятся стандартные контейнеры (включая string), части библиотеки потоков ввода-вывода, объекты функций и алгоритмы. В нее не входят адаптеры стандартных контейнеров (stack, queue и priorityqueue), контейнеры bitset и valarray, не поддерживающие итераторы, а также массивы. Хотя массивы поддерживают итераторы в форме указателей, они являются частью языка С++, а не библиотеки.

С технической точки зрения в мое определение STL не входят расширения стандартной библиотеки С++, в том числе хэшированные контейнеры, односвязные списки, контейнеры rope и различные нестандартные объекты функций. Несмотря на это, программистам STL следует помнить о существовании этих расширений, поэтому я упоминаю о них там, где это уместно. В совете 25 приведен обзор нестандартных хэшированных контейнеров. В настоящее время эти контейнеры не входят в STL, но их аналоги почти наверняка будут включены в следующую версию стандартной библиотеки С++.

Возможность расширения была заложена в библиотеку STL во время проектирования. Тем не менее, в этой книге основное внимание уделяется использованию STL, а не разработке новых компонентов. Так, в книге почти ничего не сказано о написании собственных алгоритмов, контейнеров и итераторов. На мой взгляд, сначала необходимо в совершенстве освоить существующие возможности STL. Этой теме и посвящена данная книга. Если вы решите заняться созданием STL-подобных компонентов, необходимую информацию можно будет найти в книгах Джосаттиса «The С++ Standard Library» [3] и Остерна «Generic Programming and the STL» [4]. В этой книге упоминается лишь один аспект расширения STL — написание объектов функций. Эффективное использование STL невозможно без объектов функций, поэтому этой теме в книге посвящена вся глава 6.

Ссылки

Ссылки на книги Джосаттиса и Остерна в предыдущем абзаце дают представление о том, как в этой книге оформляются библиографические ссылки. Как правило, я стараюсь включить в ссылку достаточно информации, чтобы ее узнали люди, уже знакомые с этим трудом. Если вы уже читали книги этих авторов, вам не придется обращаться к разделу «Литература» и выяснять, что скрывается за ссылками [3] и [4]. Конечно, в списке литературы приведены полные данные.

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

STL и Стандарты

В книге я часто ссылаюсь на Стандарт С++, потому что основное внимание уделяется переносимой, стандартной версии С++. Теоретически все примеры, приведенные в книге, должны работать во всех реализациях С++. 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 С++ среднего или высокого уровня. Например, в книге «More Effective С++» 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.