自己动手实现简易STL

STL六个组件
- 迭代器 & 算法
- 容器，迭代器部分
- 适配器
- 仿函数
额外的工作
小结

之前学习C++看侯老师的书的时候实现了一下STL的基本组件，包括了6个组件,allocator, iterator, container, trait, functor, algorithm的组件，也是终于搞清楚了6个组件之间的相互关联.分享给大家。

STL六个组件

比较难理解的就是萃取器和迭代器还有算法之间的交互。其实就是一个算法库根据你迭代器属于不同类型进行的一个选择，选择相对最优的方法。下面展示一下核心部分。对应于STL的容器，分别是单向，双向，随机访问迭代器。

class input_iterator {};
class forward_iterator :public input_iterator {};
class bidirectional_iterator :public forward_iterator {};
class random_acess_iterator final: public bidirectional_iterator {};

用继承关系来表达这样一个迭代器的从属关系的原因是由于C++的一个机制，是利用重载的机制。我们首先考虑public继承关系是一个 is a 的关系，那么再这个层次的继承关系中，random_acess_iterator 是最为特殊的一个。
所以从特殊性的角度来考虑 (从特殊性来比较): random_acess_iterator > bidirectional_iterator > forward_iterator ,他们都是input_iterator。
C++的重载是有一个机制，如果有多个同时可以匹配的选择最特殊的那个，这个机制仔细想想也OK,既然我可以匹配更特殊的，何必匹配更加泛化的呢。
下面举一个最简单的算法例子就懂了。
计算两个迭代器之间的距离。

迭代器 & 算法

下面这个是调用函数，可以看到他还调用了一个_distance函数来作为辅助函数。

template<class InputIterator>
unsigned int distance(InputIterator first, InputIterator last)
{return _distance(first, last, Traits<InputIterator>::iterator_type());
}

辅助函数一:

template<class InputIterator>
unsigned int _distance(InputIterator first, InputIterator last, random_acess_iterator iter){return abs::abs(last - first);
}

第一行是为了debug的，后面一行可以看到只需要做一个减法就可以计算first到last的长度了。也就是O(1)的时间。为什么可以用减号，因为所有的随机访问迭代器都重载了 operator -
可以看到第三个参数就是做了这样一个选择。

辅助函数二:

template<class InputIterator>
unsigned int _distance(InputIterator first, InputIterator last, forward_iterator iter){unsigned int dis = 0;for (; first != last; ++first)++dis;return dis;
}

对于其他类型来说，我不能和随机访问迭代器一样，因此只能一个一个地加了，所以是O(last - first)的时间复杂度。

这里就体现了为什么需要迭代器，就是为了性能！

Q：为什么我不直接用这种重载的方式，非要加一个间接的调用层啊。
A: 因为容器有很多种，每个容器对应的迭代器实际是对应容器的特化的迭代器。但是这种重载机制需要迭代器的类型。而这个需要的类型是特化的那几种迭代器。
举个例子就是 deque和vector 都是random_acess_iterator.但是相应的算法具体是针对某个iterator。所以加入直接使用而不加这个distance的间接，是没有办法找到。或者你需要向里面一样复杂的写法，而又希望接口简单，隐藏细节，因此采用这种写法。

容器，迭代器部分

对于每个可以整迭代器的容器，都会有一个与之相当于的迭代器的，并且他们的关系是耦合的，也就是你实现一个容器，需要实现一个对应的迭代器才能加入STL的大家庭。当然也不是必须这么做，因为有的数据结构没法设计迭代器。能这么设计的好处就是你可以用标准库的算法。
下面简单列一下大概的结构。

template<class T>
class iterator{//用同意的来表示其数据或者容器的特性。using iterator_type = ...;...// 需要的重载，不多不少operator ++(){}operator ++(int){}operator != (const iterator&) {}...
};template<class T, class Alloc = alloc>
class container{public:// 表示其类型，方便萃取器trait来萃取类型。using value_type = T;using iterator = ...;...//函数实现 字段等等container();...
};

这样一说，就只有allocator没有说了，这里推荐看侯捷老师的内存管理，里面讲到了这种简单的实现，以及SGI的二层分配，也讲了一个loki的能够消除内部碎片的分配器。
这里为了简化，只是用了简单的new delete。
注意这里是不能使用 malloc 或者free的除非你显示地调用对象析构函数。

class easy_allocator{public:template<class T>static T* alloc(){return new T();}template<class T>static void dealloc(T* p){assert(p != nullptr);delete p;}
};

适配器

这个没有太多可以说的，你可以认为就是接口之间的转换。比如queue stack。举个例子就是queue 我需要先进先出也就是push_back() & pop_front()两种操作，因此我可以选择list deque。
那么对于stack来说我需要push_back() & pop_back() 那么vector list deque都可以作为我的底层实现。你在使用标准库的时候也会看到你可以再模板自己定义一个类型。

stack<int, vector<int>> st;
queue<int, deque<int>> que;

仿函数

functor 就是为了让标准库的容器，算法使用更加灵活。C++11之后很多接口可以直接用lambda 非常好用。

额外的工作

当时觉得这么写代码(CTRL + C + V)有点没有意思，于是当时想能不能稍微扩充个整个小玩具。于是封装win平台的窗口作为一个类，实现了一个相当于一个容器的一个可视化。(并没有很好的完善，后面完善一下贴出源代码。) 封装window窗口创建作为一个类网络上可以查一下，有点点技巧。
使用方式类似与迭代器，因为是直接和容器相关的。类似于这样是直接耦合再一起

using window = window_vector<T>;

能够简单的可视化一些数据结构，也还是稍微有点意思吧。。。还增加的个按钮可以看到你最近的操作是怎么变化的。

这个就是一个二叉树的啦。可以看到插入一个元素对他带来的变化。
红黑树具体的变化:
红黑树就是不像AVL树对于高度那样严格，通过红黑节点的定义(有证明说明红黑树是和2-3-4树本质是一样的)
并且红黑树旋转的一个很重要性质就是: O(1)的旋转进行插入或者删除，对比AVL树是O(lgn)的旋转数。

这个是list的window…

而且用这个窗口可以很好的debug，比如树可以直观的看里面的东西对不对，print出来不太直观。
这些实现要注意窗口resize的消息，需要重新绘制一下。没有加入滚动条的功能，有时间再加。

小结

非常推荐去实现一个vector 包括所有的组件，其实也不是那么简单。不需要实现那么多算法容器等，知道6个组件具体是怎么工作的就够了。
这里简洁一下6个组件如何交互，下篇文章会用最简单的vector举例子示范一个具体的实现。

了解标准库，可以更好地扩展他。比如怎么使用它底层的分配器，容器等等。根据自己的需求进行选择，甚至可以做必要的扩充。

初学者，欢迎各位指出问题。