C++-Standardbibliothek

Die C++-Standardbibliothek ist eine standardisierte Programmierbibliothek zur allgemeinen Verwendung. Sie stellt verschiedene generische Container, Funktionen zu deren Manipulierung, Funktionsobjekte, generische Zeichenketten (auch „Strings“ genannt), Datenströme u. a. für den Dateizugriff, Unterstützung von Sprachmitteln sowie einfache Funktionen zur Verfügung. In ihr ist auch die gesamte Standardbibliothek der Programmiersprache C enthalten.

Entstehung

Die C++ Bibliothek hat ihren Ursprung in den 1980er Jahren und wurde im Laufe der Standardisierung durch den Einfluss einer bei Hewlett-Packard entwickelten Bibliothek namens Standard Template Library (STL) überarbeitet. Heute wird die C++-Standardbibliothek fälschlicherweise immer noch häufig STL genannt, obwohl es sich um zwei unabhängige Bibliotheken handelt.

Erweiterungen

Seit April 2006 gibt es eine Bibliothekserweiterung ^[1] (Technical Report 1), die z. B. reguläre Ausdrücke, verschiedene Smartpointer, Hash Container, und eine Zufallszahlbibliothek spezifiziert.

Bestandteile der C++-Standardbibliothek

Die C++-Standardbibliothek bietet:

• Container (Behälterklassen)
• Iteratoren
• Algorithmen
• Funktionsobjekte
• Zeichenketten
• Eingabe und Ausgabe
• Lokalisierung
• Numerik
• Ausnahmen
• RTTI (Runtime Type Information)

Die meisten Komponenten der C++-Standardbibliothek liegen in Form von Templates vor. Das Template-Konzept hat den großen Vorteil der Wiederverwendbarkeit, so können zum Beispiel durch einfache Deklaration Container für beliebige Datentypen erzeugt werden; Algorithmen gelten für eine ganze Reihe von Datentypen. Weiterhin wird durch Templates schon während des Kompilierens eine Typsicherheit sichergestellt, die Laufzeitfehler minimiert. Ein nicht unerhebliches Argument für Templates ist auch die hohe Performance, da der Compiler für jedes parametrierte Template speziell auf den angegebenen Typ angepassten Code erzeugen kann. Ein Nachteil sind die überaus schwer zu lesenden Fehlermeldungen, die zum Beispiel bei Typ-Konflikten erzeugt werden.

Container

Container (Behälterklassen) sind Objekte die andere Datentypen und Objekte speichern, zum Beispiel Listen und Felder. Zum Zugriff auf die einzelnen Elemente werden vom Container Methoden und Iteratoren zur Verfügung gestellt. Der Container kümmert sich um die Speicherverwaltung für die Elemente^[2] und hat deswegen Funktionen zum Einfügen und Löschen von Elementen. Der Container besitzt die Elemente. Das bedeutet, dass die Lebenszeit eines gespeicherten Objekts nicht die Lebenszeit der Liste übersteigt^[3]. Wenn der Inhalt danach benötigt wird muss der Benutzer entweder Kopien davon erstellen, oder selbst allokierte Pointer verwenden.

In sequenziellen Containern sind die Objekte linear angeordnet. In assoziativen Containern erfolgt der Zugriff mit Hilfe von Schlüsseln.

Sequenzielle Container

Name	Klassenname	Beschreibung
Felder dynamischer Größe, Vector	std::vector	Einfügen und Löschen am Ende ist in $\mathcal{O}(1)$ und für anderen Elemente in $\mathcal{O}(n)$ möglich. Der Container unterstützt wahlfreien Zugriff (Random Access) in $\mathcal{O}(1)$.
Felder fester Größe	std::tr1::array	Erst seit technical review 1 verfügbar.
doppelt verkettete Listen	std::list	Einfügen und Löschen ist in $\mathcal{O}(1)$ möglich. Wahlfreier Zugriff ist nicht möglich.
Warteschlangen	std::queue	Der Container unterstützt keine Iteratoren.
Warteschlangen mit zwei Enden	std::deque	Der Datentyp verhält sich wie der Vector, kann jedoch Elemente am Anfang und Ende in $\mathcal{O}(1)$ einfügen.
Warteschlangen mit Prioritäten	std::priority_queue	Die Struktur garantiert wie der Heap, dass immer das Element mit der höchsten Priorität am Beginn steht.
Stapel	std::stack	Der Container unterstützt keine Iteratoren.

Geordnete assoziative Container

Name	Klassenname	Beschreibung
Mengen	std::set und std::multi_set	Sets sind assoziative Container in denen einzigartige Elemente als Schlüssel gespeichert sind.
Assoziative Felder (Maps)	std::map und std::multi_map	Maps speichern Elemente zusammen mit ihren Schlüsseln in einer strict weak ordering. Jeder Schlüssel muss einzigartig sein.

Ungeordnete assoziative Container (auch bekannt als Hashmaps/Hashsets)

Name	Klassenname	Beschreibung
Mengen	std::tr1::unordered_set und std::tr1::unordered_multiset	Erst seit technical review 1 verfügbar. Die Sequenz wird durch eine Hashfunktion sortiert.
Assoziative Felder	std::tr1::unordered_map und std::tr1::unordered_multimap	Erst seit technical review 1 verfügbar. Im Gegensatz zur Map werden die Daten unsortiert gespeichert. Intern werden Hashtabellen als Index verwendet.

Sonstige Container

Name	Klassenname	Beschreibung
Bitmengen	std::bitset	Das Bitset verhält sehr ähnlich wie ein normales Array, aber ist auf Platzverbrauch optimiert, da der kleinste Datentyp in C++ char mit mind. 7 Bit ist[4].

Iteratoren

Iteratoren (von lateinisch iterare: wiederholen) sind intelligente Zeiger, mit deren Hilfe über die Elemente eines Containers iteriert, sowie auf einzelne Elemente des Containers zugegriffen werden kann. Die Iteratoren bilden ein zentrales Konzept für die Container. Bezogen auf ihre Aufgabe sind die Iteratoren reine Zugriffsobjekte. Sie entkoppeln Algorithmen von den Containern, so dass Algorithmen unabhängig von Containertypen formuliert werden können. Das nachfolgende Diagramm zeigt das Verhältnis des Iterators zu den Containern und Algorithmen:

Bei den Iteratoren gibt es folgende Kategorien:

• Eingabe-Iteratoren: lesenden Zugriff für einen einzelnen Durchlauf
• Ausgabe-Iteratoren: schreibender Zugriff für einen einzelnen Durchlauf
• Forward-Iteratoren: sequenzieller Zugriff mit relativem Bezug auf Iteratoren, in eine Richtung
• Bidirektionale Iteratoren: wie Forward-Iteratoren jedoch in beide Richtungen
• Iteratoren mit wahlfreiem Zugriff: wahlfreier Zugriff, auch mit Index-Operator ([])

Dabei stellt nicht jeder Container alle Iteratoren zur Verfügung. Der list-Container lässt z.B. keinen wahlfreien, sondern nur sequentiellen Zugriff zu. Die Ein- und Ausgabeiteratoren sind dagegen sehr allgemein und werden grundsätzlich bereitgestellt.

Algorithmen

Algorithmen sind Funktionen mit bestimmten Manipulationsvorschriften, die auf einen Container angewendet werden. Dabei sind sie unabhängig von der speziellen Implementierung der Container. Sie können nur über Iteratoren auf die Elemente in den Containern zugreifen. Sie enthalten u. a. die Standard-Algorithmen der Informatik, wie z. B. Sortieralgorithmen oder Verfahren zur Erzeugung von Zufallszahlen. Die meistbenutzten sind:

• std::for_each: wendet eine Operation auf alle Elemente eines Datensatzes an
• std::transform: transformiert einen Datensatz mit einer Funktion in einen anderen
• std::copy: kopiert den Datensatz in einen anderen
• std::sort: sortiert den Datensatz
• std::find: sucht nach einem bestimmten Element in einem Datensatz
• std::search: sucht nach einer Elementreihe in einem Datensatz

Diese und weitere Algorithmen befinden sich im Header <algorithm>.

Funktionsobjekte

Bei Funktionsobjekten oder Funktoren handelt es sich um Objekte, die als Funktion aufgerufen werden können. Hierbei wird der Funktionsoperator „operator()“ überladen. Bei den Funktionsobjekten gibt es folgende Kategorien:

• Generatoren ohne Funktionsparameter „f()“
• Unäre Funktionen mit einem Funktionsparameter „f(x)“
• Binäre Funktionen mit zwei Funktionsparametern „f(x,y)“

Grundsätzlich benötigen die Algorithmen der C++-Standardbibliothek keine Funktionsobjekte mit mehr als zwei Parametern.

Zeichenketten

Die Zeichenketten-Bibliothek definiert ein Klassen-Template std::basic_string zur Darstellung von Zeichenketten variabler Länge. Die Methoden des Klassen-Templates erlauben String-Manipulationen und -Operationen, wie z. B. das Einfügen, Löschen, Ersetzen und Suchen in Strings. Von diesem Klassen-Template gibt es zwei Typdefinitionen:

• std::string ist ein std::basic_string, parametrisiert mit char. char kann ein Zeichen des Basiszeichensatzes speichern.
• std::wstring ist ein std::basic_string, parametrisiert mit wchar_t (wide character). wchar_t kann alle Elemente des größten unterstützten Zeichensatzes speichern.

Beispiele

std::vector<int> daten(10);                       // Datenfeld mit int der Länge 10 anlegen
std::vector<int>::iterator dIter(daten.begin());  // Iterator anlegen und initialisieren
                                                  // Iterator zeigt auf ersten Eintrag
 
for (int i=0;                 // Zähler i initialisieren, 
     dIter != daten.end();    // for-Schleife solange durchgehen, bis dIter aufs Ende des Datenfeldes zeigt
     ++i, ++dIter) {          // Zähler i erhöhen, Iterator auf den nächsten Eintrag zeigen lassen
        *dIter = i;           // i dem Datenfeld zuweisen, auf das dIter zeigt
}
// daten: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
 
std::vector<int> datenZwei(10);
 
std::copy( daten.begin(), daten.end(), // welche Daten sollen kopiert werden
           datenZwei.begin() );        // und wohin
// datenZwei: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
 
// binärer Funktor std::multiplies<int>() braucht zwei Argumente
std::transform( daten.begin(), daten.end(), // auf welchem Bereich soll Algorithmus arbeiten
                datenZwei.begin(),          // zweite Datenquelle
                datenZwei.begin(),          // wohin sollen Ergebnisse gehen
                std::multiplies<int>()  );  // miteinander multiplizieren
// datenZwei: 0 1 4 9 16 25 36 49 64 81
 
// unärer Funktor std::negate<int>() braucht ein Argument
std::transform( daten.begin()+4, daten.end(), // dieses Mal nicht vom Anfang, sondern vom fünften Element an
                daten.begin()+4,
                std::negate<int>() );    // Negation
// daten: 0 1 2 3 -4 -5 -6 -7 -8 -9
 
std::sort( daten.begin(), daten.end() ); // sortieren
// daten: -9 -8 -7 -6 -5 -4 0 1 2 3

Quellen

1. ↑ TR1
2. ↑ http://www.cplusplus.com/reference/stl/
3. ↑ http://www.sgi.com/tech/stl/Container.html Container
4. ↑ http://www.cplusplus.com/reference/stl/bitset/ bitset

Siehe auch

• Die Standard-C-Bibliothek
• Boost

Weblinks

• C++-Referenz (engl.)
• Apache C++ Standard Library (STDCXX) (engl.)
• Standard Template Library Programmer's Guide - sgi
• Dinkumware Standard C++ Library (engl.)