在上一章我們探討了C++的類型系統(tǒng)，并提出了從低到高，又從高到低的學(xué)習(xí)思路，本文就是一篇從高到低的學(xué)習(xí)指南，希望能提供一種新的視角。
編程語(yǔ)言一般分為兩個(gè)部分，一部分是語(yǔ)法部分，如上一章的類型系統(tǒng)，另一部分則是用這套語(yǔ)法完成的預(yù)定義的工具集，如本文的主題——標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)。標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)是一堆我們寫代碼時(shí)直接可以用的代碼，就像是我們提前寫好的一樣，不僅如此，標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)還是跨平臺(tái)的，還是經(jīng)過(guò)工業(yè)級(jí)測(cè)試的，所以標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)有著靠譜，安全的特點(diǎn)。
C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)包括很多方面，有類vector、string等,有對(duì)象std::cin，std::cout等，還有函數(shù)move，copy等，所以一般按功能來(lái)對(duì)它們分類
容器類
算法類
智能指針
線程相關(guān)
其他
當(dāng)然，這些還不是全部，標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)是在不斷擴(kuò)充和完善的，學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的宗旨也應(yīng)該是學(xué)習(xí)它們的使用場(chǎng)景，而不是深入用法。比如容器類中就有很多功能類似的類，不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景有不同的選擇。通過(guò)對(duì)它們的了解，我們更容易寫出高效，簡(jiǎn)潔的代碼。
容器類就是幫助管理一組數(shù)據(jù)的類，根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式的不同，分為有序列表，無(wú)序列表和映射。
有序列表中的有序是指，數(shù)據(jù)組保存在一塊連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域里，可以通過(guò)插入時(shí)的索引直接定位到原數(shù)據(jù)。因?yàn)閿?shù)據(jù)是按順序存入的，所以中途假如需要?jiǎng)h除或者新增數(shù)據(jù)，在操作位置右邊的數(shù)據(jù)都需要移動(dòng)，操作的代價(jià)就比較大。由此也可看出它們的優(yōu)勢(shì)是順序插入和尾部修改，還有直接查找，這方面的代表就是array，vector。array是對(duì)原始數(shù)組的封裝，并且解決了傳遞數(shù)組變成指針這樣的問(wèn)題，但是缺點(diǎn)是它的大小是固定的，適合用在數(shù)據(jù)量已知的情況。而vector又是對(duì)array的增強(qiáng)，不僅能完成所有array的操作，并且大小可變，所以絕大部分情況下，選擇vector都是理想的選擇。
list，forward_list。顯然，有序列表和無(wú)序列表是互補(bǔ)的，我們?cè)趯?shí)際項(xiàng)目中，應(yīng)該根據(jù)數(shù)據(jù)的操作來(lái)確定選擇哪種容器。
映射則融合了有序列表和無(wú)序列表的優(yōu)點(diǎn)，既可以快速插入和刪除，又可以快速查找。為了滿足各種使用場(chǎng)景，C++提供了map，multimap，unordered_map，unordered_multimap。從名字上就能看出來(lái)它們的差別。為了直觀，我直接列了一個(gè)表
| 是否排序 | 是否支持相同值 | 速度 | |
|---|---|---|---|
| unordered_map | ? | ? | ???????? |
| map | ? | ? | ???? |
| multimap | ? | ? | ?? |
| unordered_multimap | ? | ? | ?????? |
映射存儲(chǔ)的是兩個(gè)值，不同的類型實(shí)現(xiàn)方式不一樣。由于map是需要排序的，所以通常它的實(shí)現(xiàn)是一種平衡二叉樹，鍵就是它排序的依據(jù)。
unordered_map是不需要排序的，所以它的實(shí)現(xiàn)通常是哈希表，即根據(jù)哈希函數(shù)的確定索引位置繼而確定存儲(chǔ)位置。
vector都是靠譜的選擇，它提供了全功能的數(shù)據(jù)操作接口，支持動(dòng)態(tài)長(zhǎng)度，索引查詢，并且簡(jiǎn)單高效。如果需要頻繁地插入或者刪除操作，也可以考慮list或者forward_list。map可以讓數(shù)據(jù)保持有序，需要更快的速度而不是排序的話unorderer_map是更好的選擇，如果相同值會(huì)出現(xiàn)多次就可以使用對(duì)應(yīng)的multi版本。另外容器類也是很好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)資源，C++的容器類幾乎提供了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中所有的形式，對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)越熟悉選擇的容器類就越完美。之所以將算法放在容器類后面，是因?yàn)樗惴ù蟛糠质菍?duì)容器類操作的加強(qiáng)，算法都定義在algorithm文件頭里。這些算法都是短小精悍的，可以大大增加代碼可讀性，并且妥善處理了很多容易遺忘的邊界問(wèn)題。功能上可以分為增刪改查幾種操作，可以在實(shí)際有需要的時(shí)候在查看文檔，具體可以參閱這里
很早以前，我對(duì)智能指針的態(tài)度不是很好。因?yàn)閯傞_(kāi)始學(xué)習(xí)C++時(shí)我就知道，不能單獨(dú)使用指針，要把指針?lè)庋b在類里，利用類的構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)管理指針，也就是RAII。最開(kāi)始我以為這就夠了,直到我遇到下面這種情況
1public:
2????Ptr():p{?new?int?}?{}
3????~Ptr()?{
4????????delete?p;
5????}
6????int&?get()?{
7????????return?*p;
8????}
9
10????void?set(const?int?value)?{
11????????*p?=?value;
12????}
13private:
14????int*?p;
15};
16
17void?use(Ptr?p)?{
18????//傳進(jìn)來(lái)的是復(fù)制構(gòu)造出來(lái)的p',函數(shù)返回后p'被銷毀啦，兩個(gè)指針指向的地址被回收，外面的p指針成為了野指針
19}
20int?main()?{
21????Ptr?p;
22????p.set(1);
23????use(p);?//p按值傳遞，調(diào)用了Ptr的復(fù)制構(gòu)造函數(shù)，構(gòu)造出了新對(duì)象p',它的指針和p的指針指向同一個(gè)地方
24????std::cout?<std::endl;?//p已經(jīng)被銷毀了，訪問(wèn)p的地址非法
25????return?0;
26}
調(diào)用use時(shí)，變量p被拷貝，也就出現(xiàn)了兩個(gè)指針同時(shí)指向一塊內(nèi)存地址的情況。use函數(shù)執(zhí)行完后，它的參數(shù)p被回收。也就是調(diào)用了Ptr的析構(gòu)函數(shù)，也就是兩個(gè)指針指向的地址被回收。所以24行調(diào)用get讀取那個(gè)已經(jīng)被回收了的地址就是非法操作，程序崩潰。
這可能是新手比較常遇到的一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)然，解決這個(gè)問(wèn)題也很簡(jiǎn)單，還用不到智能指針，只需要將函數(shù)use的參數(shù)改為引用類型就可以了，因?yàn)橐弥皇莿e名，不會(huì)產(chǎn)生新的指針，這也是我在類型系統(tǒng)篇中極力推薦引用為首選參數(shù)類型的原因之一。對(duì)于此例，數(shù)據(jù)不大，直接重寫復(fù)制構(gòu)造函數(shù)，重新申請(qǐng)一塊內(nèi)存也是一種思路。
此例中用到Ptr的地方只有一個(gè)，實(shí)際項(xiàng)目中Ptr往往需要用到很多次，我們不能保證不會(huì)出現(xiàn)忘記使用引用類型的情況，這種情況下重新申請(qǐng)內(nèi)存也不適用，所以這個(gè)時(shí)候就需要智能指針來(lái)幫忙了。
現(xiàn)在思考另一種情況，某些操作我們不得不暴露出我們的指針供外部使用，隨著業(yè)務(wù)的嵌套和調(diào)用鏈增加，很多時(shí)候會(huì)忘記或者不確定在什么時(shí)候調(diào)用delete釋放內(nèi)存。這也是用智能指針的一個(gè)場(chǎng)景。以上兩種情況都是需要分享指針，對(duì)應(yīng)智能指針中的shared_ptr。shared_ptr顧名思義，它可以幫助開(kāi)發(fā)者完成指針共享的問(wèn)題，并且完美解決提前釋放，不知何時(shí)釋放，誰(shuí)負(fù)責(zé)釋放的問(wèn)題。它的對(duì)應(yīng)關(guān)系是一對(duì)多，一個(gè)實(shí)際的內(nèi)存可以被多個(gè)shared_ptr共享
unique_ptr。
unique_ptr的對(duì)應(yīng)關(guān)系是一對(duì)一，無(wú)論哪個(gè)時(shí)刻，只能有一個(gè)管理者擁有指針，也就只能由它負(fù)責(zé)釋放了。假如想轉(zhuǎn)移這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，只能通過(guò)std::move操作，不過(guò)這個(gè)操作之后，原先對(duì)象的指針就失效了，它也不再負(fù)責(zé)管理，所有的任務(wù)移交給了新的對(duì)象。這種特性特別適合資源敏感型的應(yīng)用。除了內(nèi)存，線程是開(kāi)發(fā)中另一個(gè)重要的課題。線程的難點(diǎn)在于不僅要管理線程對(duì)象，還要管理線程對(duì)象管理的資源，并且保證線程間數(shù)據(jù)同步。當(dāng)然標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)已經(jīng)做得足夠好了，我們需要理解的是使用場(chǎng)景的問(wèn)題。線程庫(kù)主要包括線程對(duì)象thread，條件對(duì)象condition_variable，鎖對(duì)象mutex。
使用thread可以很方便地把程序?qū)懗啥嗑€程，只需要三步：
1void?plus(int?a,int?b){?//第一步：定義線程中要運(yùn)行的函數(shù)
2????std::cout<<"running?at?sub?thread"<<std::endl;
3????std::cout<<"a?+?b?=?"<std::endl;
4}
5
6int?main(){
7????std::thread?thread{plus,1,1};?//第二步，定義std::thread對(duì)象，將函數(shù)作為參數(shù)
8????std::cout<<"continue?running?at?main?thread"<<std::endl;
9????thread.join();?//第三步調(diào)用線程對(duì)象的join函數(shù)或者detach函數(shù)
10????std::cout<<"sub?thread?finished!"<<std::endl;
11}
12//輸出
13//????continue?running?at?main?thread
14//????running?at?sub?thread
15//?????a?+?b?=?2
16//?????sub?thread?finished!
難點(diǎn)在線程間通信，也就是解決兩個(gè)問(wèn)題
線程1更新了變量v的值
線程2馬上能讀取到正確的變量v的值，即線程1更新的那個(gè)最新值
為了協(xié)調(diào)這兩個(gè)過(guò)程，就出現(xiàn)了鎖對(duì)象mutex和條件對(duì)象condition_variable。鎖對(duì)象mutex保證變量按照正確的順序更改。條件對(duì)象condition_variable保證更改能被其他線程監(jiān)聽(tīng)到。
1int?a,b;
2bool?ready?=?false;
3std::mutex?mux;
4std::condition_variable?con;
5
6void?plus()?{
7????std::cout?<"running?at?sub?thread"?<std::endl;
8????//因?yàn)槲覀円x取ready的最新值，所以要用鎖保證讀取結(jié)果的有效性
9????std::unique_lock<std::mutex>?guard{?mux?};
10????if?(!ready)?{
11????????//數(shù)據(jù)沒(méi)準(zhǔn)備好，休息一下！
12????????con.wait(guard);?
13????}
14????//這里就可以正確讀變量a,b了
15????std::cout?<"a?+?b?="?<std::endl;
16}
17
18int?main()?{
19????std::thread?thread{?plus};
20????std::cout?<"continue?running?at?main?thread"?<std::endl;
21????std::cout?<"input?a?=?";
22????std::cin?>>?a;
23????std::cout?<"input?b?=?";
24????std::cin?>>?b;
25????{
26????????//數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，該通知子線程干活了，用大括號(hào)是因?yàn)橄胱屾i因?yàn)間uard的銷毀即使釋放，從未保證plus里面能重新獲得鎖
27????????std::unique_lock<std::mutex>?guard{?mux?};
28????????//更新數(shù)據(jù)
29????????ready?=?true;
30????????//通知
31????????con.notify_all();
32????}
33????thread.join();
34????std::cout?<"sub?thread?finished!"?<std::endl;
35}
多線程另一個(gè)需要注意的問(wèn)題就是死鎖。死鎖的前提是有兩個(gè)鎖
線程1得到了鎖a，還想得鎖b
線程2得到了鎖b，還想得鎖a
然后，再加上一個(gè)前提：某一時(shí)刻，只有一個(gè)線程能擁有某個(gè)鎖，就不難得出以下結(jié)論：線程a，b除非某一個(gè)放棄已得的鎖，不然兩個(gè)線程都會(huì)因?yàn)闆](méi)得到需要的鎖而一直死等，形成死鎖。同時(shí)解決死鎖的思路也呼之欲出：既然一個(gè)得了a，一個(gè)得了b，而鎖同一時(shí)間只能被一個(gè)線程得到，那么所有線程都按先得a，再得b的順序來(lái)就不會(huì)有鎖被占用的問(wèn)題了。另一個(gè)思路則可以從放棄上入手，既然都得不到，那么接下來(lái)的任務(wù)也做不了，不如直接放棄已經(jīng)得到的，所以可以考慮使用timed_mutex。
還有很多常用的庫(kù)，如字符串string，時(shí)間chrono，還有在定義函數(shù)變量時(shí)常用的functional,異常exception，更多的內(nèi)容可以在cplusplus找的參考。
總的來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)提供了一個(gè)展現(xiàn)C++語(yǔ)言能力的平臺(tái)：幫助開(kāi)發(fā)者更好更快完成開(kāi)發(fā)任務(wù)的同時(shí)，還能啟迪開(kāi)發(fā)者實(shí)現(xiàn)更好的抽象和實(shí)踐。如我就從標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中學(xué)到了更規(guī)范地定義函數(shù)參數(shù)，更好的封裝，以及其他好的思路。學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)不僅更好地掌握了語(yǔ)言本身，還掌握了更全面地分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的方法，是值得花費(fèi)一段時(shí)間學(xué)習(xí)的。
容器類是幾乎所有項(xiàng)目都會(huì)用到的，也是比較好掌握的，主要可以從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面對(duì)照學(xué)習(xí)；智能指針則是處理指針問(wèn)題的好幫手；線程相關(guān)的庫(kù)是比較難掌握的，關(guān)鍵是要想明白使用場(chǎng)景和極端情況下的邊界問(wèn)題。很多時(shí)候邊界問(wèn)題可能不那么直觀。如線程要求獲得鎖的情況就分為：鎖空閑，鎖被其他線程占有，鎖被自己占有。不同的邊界對(duì)于不同的鎖，預(yù)期結(jié)果也是不同的，只有在明確場(chǎng)景的情況下，才能更好地理清鎖的關(guān)系，從而解決好問(wèn)題。
最好的學(xué)習(xí)還是在實(shí)踐中主動(dòng)使用。對(duì)于我，通常在遇到新問(wèn)題的時(shí)候會(huì)先查查標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)有沒(méi)有相應(yīng)的庫(kù)，有的話就是學(xué)習(xí)這個(gè)庫(kù)的好時(shí)機(jī)?？梢韵雀庞[庫(kù)的定義和解決的問(wèn)題，然后分析它提供的類，函數(shù)，對(duì)象等，再將自己的理解轉(zhuǎn)換為項(xiàng)目中的代碼，最后在實(shí)際效果中檢驗(yàn)和修正想法，完成庫(kù)的學(xué)習(xí)。
