C#与C++相比较之STL篇

Program into Your Language, Not in It——《代码大全》。如何深入一门语言去编程？我认为有三步：熟悉它；知道它的局限性；扩展它。如何熟悉？不必说，自然是看书看资料，多用多写。如何知晓其局限性？这步我们只能通过对比了，任何事物都有其自身的局限性，没有任何东西是完美的（除了上帝哈C#与C++相比较之STL篇）。在这里，我用C#与C++做对比，尝试勾勒出C#与C++一些观念上的不同。如何扩展？这点我正在尝试C#与C++相比较之STL篇。

C++的STL

STL包含六大组件：容器(Containers)、迭代器（Iterators）、算法（Algorithms）、仿函数（functors）、配接器（Adapters）、配置器（Allocators）。容器通过配置器取得数据存储空间，算法通过迭代器来存取容器的内容，仿函数协助算法完成不同的操作策略，配接器用来修饰或套接仿函数。这一整套配合，可以使我们完全掌控数据在存储器上的增删查改。（在这里我很想画一张图出来，但是我找了很久，实在找不到好的工具，有没有哪位同学能分享一些好的画示意图之类的工具呢？）

容器

STL中，最常用的容器要算vector、list、map、set这四种了。C#中，对应的容器分别是:List、LinkedList、Dictionary、HashSet。单看容器，其实它只是抽象出了一些逻辑结构，根据不同的逻辑需要，在存储器上反应出不同的物理存储结构。这点C++和C#的抽象没有什么不同，当然，其实现上，很不相同。这点通过代码的书写，就可以略窥一斑。

C++代码如下：

while (iterSet != st.end())
{
cout << *iterSet << endl;
++iterSet;
}

}

C#代码如下：

in set)
            {
                Console.WriteLine(item);
            }
        }
    }
}

C++并没有内置的foreach语句（貌似新的标准中有？），所以它通过迭代器来帮助它来完成迭代。而C#就非常方便了，在语法级别完成了这个功能。从写法上我们可以看到，c++的迭代器看上去是一个指针，是一个可以做自增操作的指针。c#迭代出的每个item则是当前存放的数据。

迭代器

STL中的迭代器有五种：输入迭代器（Input Iterator）、输出迭代器（Output Iterator）、前向迭代器（Forward Iterator）、双向迭代器（Bidirectional Iterator）、随机存取迭代器（Random Access Iterator）。C#中，没有相对应的迭代器概念。毕竟迭代器就是一个智能指针，而C#却不支持指针（unsafe另算哈）。

输入迭代器，只能一次一个向前读取元素，并且只能读取该元素一次。如果我们复制一份输入迭代器，副本输入迭代器和原来的输入迭代器分别向前读取一个元素，那么他们可能会遍历到不同的值。以istream_iterator为列，代码如下：

while (iterBegin != iterEnd)
    {
        cout << *iterBegin << endl;
        ++iterBegin;
    }
}

输出迭代器，与输入迭代器相反，它的作用是将元素值一个个写入，所以只能作为左值。以ostream_iterator为列，代码如下：

int i = 0; i < 10; ++i)
    {
       *iter = i;
    }
}

前向迭代器，是输入、输入迭代器的结合，但是却没能用有输入、输入迭代器的全部功能，真心觉得这个迭代器很尴尬。前向迭代器提取值的时候，要确保它是有效的迭代器（比如到了序列尾端），而输出迭代器却不用（输出迭代器不提供比较操作，无需检查是否达到尾端）。我没见过比较有代表性的前向迭代器，所以给不出代码示例（囧…）。

双向迭代器，在前向迭代器的基础上增加了回头遍历的能力。写法上来说，就是提供了自减操作。最合适的列子非链表的迭代器莫属了。如下：

;
    }
}

随机迭代器，在双向迭代器的基础上增加了随机存取能力。写法上来说，就是提供了加减法操作，还提供了大小比较操作(除了这个迭代器，其他都没有大小比较，所以一般判断迭代器是否结尾，是用 == 或者 != 来判断)。最合适的列子就是vector的迭代器了。如下：

int>::const_iterator iter(vec.begin());
cout << *(iter + 4) << endl;

至此，我们对C++迭代器有些基本的了解了。现在让我们探索一下这背后到底是怎么实现的。我们知道C++的STL是依靠模板(Template)来实现的，用C#的词来描述就是泛型(Generic)。一个迭代器，其实是一个类型，一个遵循了一系列潜规则的类型。按照被潜的程度，分成两种：自娱自乐，狼狈为奸。如果只是想自娱自乐的话，那么很简单，只要像下面这样既可：

while (begin != end)
    {
        cout << begin->value() << endl;
        ++begin;
    }
}

上述代码中，我们完全依赖自己的双手，通过重载*、->、 ++、==、!=等操作符，实现了自己的行为上类似迭代器的迭代器。但是我们仅能自娱自乐而已，不能融入STL的大家庭。我们无法复用STL原有的轮子，也无法将我们的轮子完美的放进STL（只需重载一下全局的!=操作符，可以使用STL的find）。我们为了实现这个迭代器，将容器的元素类型（ListItem）暴露了，而且还暴露了ListItem的内部实现细节（重载++操作符，用到了ptr->next()）,明显不科学啊！所以一般迭代器都是相应的容器的设计者实现的，内嵌在容器中。

如果想让我们的迭代器能融入到STL中，那么，我们就必须为我们的迭代器实现五个“接口”,一个表示迭代器的类型iterator_category，一个表示值类型value_type，一个表示两个迭代器之间的距离类型difference_type，一个表示迭代器的指针pointer，一个表示迭代器的解引用reference。这五个“接口”,就是STL关于迭代器的潜规则。比如一个定义良好的iterator_category可以帮助我们的迭代器在使用distance(),advance()之类的函数时，有更高的效率。为了帮助我们定义自己的迭代器，STL有一个结构，只要我们继承即可，在VS中输入iterator然后转到定义，即可看到下图：

C#与C++相比较之STL篇

 

下面让我们来定义一个可以与STL“狼狈为奸”的迭代器。

int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        vec.push_back(i);
        vec.push_back(i + 100);
    }
    copy(vec.begin(), vec.end(), os);
}

看起来好像没什么区别？其实这里面的区别大了。

STL迭代器的潜规则

让我们先从C#的接口谈起，相信大家对接口这个概念都不陌生。能被foreach遍历的类型，必须继承了IEnumerable这个接口。能够做比较运算的类型，必须继承了IComparable接口。接口，是个非常强的概念。它与类的虚函数相比，最大的不同就是：继承该接口后，必须要实现接口中的方法，而虚函数则不必。有了这层语法上的限制，那么我们在C#中定义我们的泛型方法时，就可以强制一些规定，便于我们操作传进来的泛型实参。比如我们要定义一个排序算法。既然是排序，首先就要求元素能够被比较，如果不能比较，那就只能呵呵了…下面贴代码。 

base;
           FunnyQuickSort(list, right, start - 1);
           FunnyQuickSort(list, start + 1, left);
       }

通过用where这个方法，规定元素T的类型必须是可比较的，来限制用户程序员传入的类型。使用接口约束，不紧能方便我们在方法中做基于一定限制的逻辑操作，还能在需要的时候确定方法的返回类型以及一些类型的限定信息。可能后面这两个优点在C#中还不怎么明显，如果见识到STL为了这么简单的操作饶了多么大的弯，我们就能深刻体会到这种好处了。假设我们有这么个需求：需要返回一个两个迭代器（迭代器一个在前一个在后，能形成半开区间）间元素中的最大值。大家会怎么写这个方法？用C#,方法大概是这样：C#与C++相比较之STL篇

我们可以返回一个T或者IComparable<T>。这是由于传进来的值的类型已经确定了是T。这是与C++最大的不同。在C++中，如果为通用的STL迭代器写一个算法，大概如下:

C#与C++相比较之STL篇

这时候，我们应该返回什么类型？我们甚至不知道这个迭代器指向的是什么类型！我们知道指向的值可以用*begin来表示，但是我们要怎么让编译器知道？这里可没有C#的委托限制，无法用委托来确定类型。大家想到怎么确定迭代器指向的类型了吗？没错，是利用函数模板的参数推到机制。我们要在里面再嵌入一层函数，即可得到迭代器指向的元素的类型。最后看起来代码像这样：

C#与C++相比较之STL篇

现在还剩一个问题了，最上层的Max应该返回什么类型？有两个方法可以确定：我们再为Max加一个泛型参数指明返回类型；再在模板中加一个插件。前一种很简单，不过不是很优雅，略过不谈。如何在模板中加插件？还记得我们前面所说的潜规则么？我们定义了五个“接口”，其中有一个是表示值类型的value_type。答案就在这！我们通过一个第三方的提取工具：iterator_traits，来获得返回的值类型。代码如下：

C#与C++相比较之STL篇

将迭代器的类型传入iterator_traits中，提取出定义该迭代器的时候定义的元素类型。这下所有的问题都解决了。是不是很优雅？当然，不要跟C#比。下面我们测试一下我们的代码：

int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        vec.push_back(i);
    }

    vec.push_back(100);
    vec.push_back(1);

    cout << Max(vec.begin(), vec.end()) << endl;
}

我们看到，由于C++少了接口这个语法级的概念，实现一个这么简单的方法，都要绕这么大一个弯！而且在调试代码的时候，模板出错的报错提示，是出了名的多！一个小问题可以引起大段的错误提示。其实上面的代码很容易出错，如果迭代器指向的类型无法做逻辑比较怎么办？比如将一个map的迭代器传进来，大家可以试一试！而C#从语法层面上将这些弊端都规避掉了。如果不符合接口限制，将会有优雅的提示信息。返回类型可以直接返回接口类型。我真心感觉吊炸天！如果不与C++比较，我是无法知道C#为我做了这么多工作！想到STL是上世纪的杰作，我很佩服当时为了解决这些问题而探索出的traits方法。而C#作为后来者，明显吸收了很多C++的精华。

通过容器和迭代器这两个组件，我们可以看到STL的构思之巧妙，通过一系列的潜规则，来实现了通用的目的。我们也看到了C#的方便之处。到目前的比较为止，C#的表现非常不错。但是，C#会一直这么拽吗？有句话说的好:“你不拽我们还可以做朋友…”。以我现在还和C#是朋友的现状来看……

我本来想以一篇来概括STL的，写了快10小时，发现还仅是写到第二个组件！现在只剩下一句话：欲知后事如何，请听下回分解！

总结

C#作为后来者，在语法层面上规避了很多STL遇到的问题。而STL的构思之妙，略窥一二。

参考资料

  1. 侯捷.STL源码剖析.武汉：华中科技大学出版社，2013
  2. Nicolai M. Josuttis.C++标准库.侯捷译.武汉：华中科技大学出版社，2011
  3. Jeffrey Richter. CLR via C#.周靖译.北京：清华大学出版社，2011

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