کتابخانه استاندارد قالب

کتابخانه استاندارد قالب (به انگلیسی: Standard Template Library) (مخفف: STL) یک کتابخانه نرم‌افزاری برای زبان برنامه‌نویسی ++C است که بسیاری از قسمت‌های کتابخانه استاندارد ++C را تحت تأثیر قرار داده‌است.

اجزا

کتابخانه استاندارد چهار جزء دارد:

• الگوریتم
• containers
• functions
• iterators

STL مجموعه ای از کلاسهای متداول را برای ++C مانند کانتینرها و آرایه‌های انجمنی ارائه می‌دهد که می‌تواند با هر نوع داخلی و با هر نوع تعریف شده توسط کاربر که از برخی عملیات‌های ابتدایی پشتیبانی می‌کند (مانند کپی و انتساب) استفاده شود. الگوریتم‌های STL مستقل از کانتینرها نیستند، که به‌طور قابل توجهی از پیچیدگی کتابخانه می‌کاهد.

STL با استفاده از الگوها به نتایج خود می‌رسد. این رویکرد چندشکلی compile-time را ارائه می‌دهد که اغلب کارآمدتر از چند شکلی سنتی run-time است. کامپایلرهای مدرن ++C تنظیم شده‌اند تا خطاها را با استفاده از STL را به حداقل برسانند.

STL به عنوان اولین کتابخانه الگوریتمهای عمومی و ساختارهای داده برای ++C با چهار ایده در ذهن ایجاد شده‌است: برنامه‌نویسی همگانی ، انتزاع بدون از دست دادن کارایی، معماری فون نویمان و Value semantics.

تاریخچه

تاریخچه کامل: History of the Standard Template Library

در نوامبر ۱۹۹۳ الکساندر استپانوف کتابخانه ای را براساس برنامه‌نویسی همگانی به کمیته ANSI / ISO برای استانداردسازی ++C ارائه داد. و با پاسخ مثبت کمیته رو به رو شد و منجر به درخواست آندرو کونیگ برای پیشنهاد رسمی در جلسه مارس ۱۹۹۴ شد. کمیته چندین درخواست تغییر و الحاق داشت و اعضای کمیته با استپانوف و منگ لی ملاقات کردند تا به جزئیات کمک کنند. الزامات مهم‌ترین الحاقات (کانتینرهای انجمنی) باید با اجرای کامل آنها سازگار باشد، وظیفه ای که استپانوف به دیوید موسر محول کرد. پیشنهادی در جلسه کمیته ANSI / ISO در ژوئیه ۱۹۹۴ تصویب نهایی شد. متعاقباً، سند ۱۷ استپانوف و لی در پیش نویس استاندارد ANSI / ISO C ++ گنجانیده شد (۱، بخشهایی از بندهای ۱۷ تا ۲۷).

چشم‌انداز انتشار گسترده STL با تصمیم Hewlett-Packard برای در دسترس قرار دادن اجرای آن در اینترنت در ماه اوت ۱۹۹۴ به‌طور قابل توجهی بهبود یافت.

اجزاء

کانتینرها

STL شامل کانتینرهای ترتیبی (sequence containers) و وابسته (associative containers) می‌شود. کانتینرها اشیایی هستند که داده‌ها را ذخیره می‌کنند.

کانتینرهای ترتیبی (sequence containers) شامل موارد زیر می‌شوند:

1. vector
2. deque
3. list

و کانتینرهای وابسته (associative containers) شامل موارد زیر می‌شوند:

1. set
2. multiset
3. map
4. multimap
5. hash_set
6. hash_map
7. hash_multiset
8. hash_multimap

همچنین کانتینرهای، prior_queue و stack وجود دارند که کانتینرهایی با interfaceهای خاص هستند و از کانتینرهای دیگر به عنوان پیاده‌سازی استفاده می‌کنند.

کانتینرها	توضیحات
کانتینرهای ساده
pair	این نوع کانتینر یک کانتینر وابسته ساده است که از ۲ عنصر داده یا اشیا، تشکیل شده‌است و در مرتب‌سازی به ترتیب "اول" و "دوم" نامیده می‌شود.
متوالی (آرایه ها/لیست‌های پیوندی)
vector	یک آرایه پویا، مانند آرایه C (یعنی امکان دسترسی تصادفی) با قابلیت تغییر اندازه خودکار هنگام قرار دادن یا پاک کردن یک شی. قرار دادن یک عنصر در انتهای vector انتها زمان ثابتی را در بر می‌گیرد. حذف آخرین عنصر فقط به زمان ثابت نیاز دارد، زیرا تغییر سایز اتفاق نمی‌افتد. قرار دادن و پاک کردن در ابتدا یا وسط به صورت خطی است. یک نوع ویژه برای نوع bool وجود دارد که با ذخیره مقادیر آن به صورت بیت، فضای را بهینه می‌کند.
list	یک لیست پیوندی دوگانه که عناصر را در به صورت پشت سرهم ذخیره نمی‌کند. که آن را با vectorها متمایز می‌کند. در listها جستجوی و دسترسی به صورت آهسته (زمان خطی) خواهد بود، اما هنگامی که موقعیتی پیدا شد، درج و حذف سریع (زمان ثابت) است.
slist	یک لیست پیوندی که عناصر را در به صورت پشت سرهم ذخیره نمی‌کند. که آن را با vectorها متمایز می‌کند. در listها جستجوی و دسترسی به صورت آهسته (زمان خطی) خواهد بود، اما هنگامی که موقعیتی پیدا شد، درج و حذف سریع (زمان ثابت) است. کمی درج و حذف کارآمدتر است و از حافظه کمتری نسبت به لیست پیوندی دوگانه استفاده می‌کند، اما فقط می‌تواند به سمت جلو حرکت کندو در کتابخانه استاندارد ++C به عنوان forward_list اجرا می‌شود.
deque (صف دو طرف بسته)	یک آرایه پویا (vector) با قابلیت اضافه/حذف کردن از ابتدا یا انتها در زمان Constant Amortized (میانگین همه عملیات‌ها زمان ثابتی می گیره و زمان اجرا ربطی به سایز ورودی نداره) وجود دارد، هرچند که پس از تغییر تضمین‌هایی در مورد اعتبار تکرار کننده‌ها ندارد.
Container adaptors
queue	صف با استفاده از روش FIFO عملیات‌های push/pop/front/backرا فراهم می‌کند. از هر کانیتنیرهای ترتیبی که ()front() ,back() ,push_back(), pop_front می‌توان به عنوان صف درنظر گرفت. (همانند: list و deque)
priority queue	این نوغ صفی اولویت دار نسبت به push/pop/top را فراهم می‌کند. (عنصری که بالاترین اولویت را دارد در بالا است) از هر کانتینرهای ترتیبی با دسترسی تصادفی که از عملیات‌های ()front() ,push_back() pop_fron پشتیبانی می‌کند، می‌تواند نمونه ای از صف‌های اولویت دار (به عنوان مثال vector و deque) استفاده شود. با استفاده از پشته اجرا می‌شود.
stack	پشته با استفاده از روش LIFO عملیات‌های push / pop / top فراهم می‌کند (آخرین عنصر وارد شده در بالا است). از هر کانتینرهای ترتیبی که از عملیات‌های ()back() ,push_back() pop_back پشتیبانی می‌کند، می‌تواند نمونه ای از پشته (به عنوان مثال list , vector و deque) استفاده شود.
کانتینرهای وابسته: مجموعه‌های غیر مرتب
set	یک مجموعه ریاضی که درج / پاک کردن عناصر در یک مجموعه تکرارهای اشاره شده در مجموعه را باطل نمی‌کند. ایجاد یک مجموعهٔ عملیاتی متحد
multiset	همانند یک مجموعه (set)، اما اجازه عناصر تکراری (چند مجموعه ریاضی) را نیز می‌دهد.
map	یک آرایه وابسته که اجازه می‌دهد تا از یک مورد داده (یک کلید) به دیگری (یک مقدار) نقشه‌برداری شود. نوع کلید باید عملگر مقایسه را اجرا کند <یا عملکرد مقایسه کننده سفارشی باید مشخص شود. چنین عملکرد اپراتور مقایسه یا مقایسه کننده باید نظم ضعیف را تضمین کند، در غیر این صورت رفتار تعریف نشده‌است. به‌طور معمول با استفاده از یک درخت جستجوی دودویی متعادل کننده اجرا می‌شود.
multimap	همانند map، اما اجازه چند کلید را نیز دارد.
hash_set hash_multiset hash_map hash_multimap	به ترتیب مشابه یک multimap , map, multiset ,set اما با استفاده از جدول هش پیاده‌سازی شده‌است. کلیدها ترتیب نمی‌شوند، اما یک تابع هش باید برای نوع کلید وجود داشته باشد. این نوع از استاندارد C ++ خارج شدند. کانتیر مشابه در C ++ 11 استاندارد شدند، اما با نام‌های مختلف (unordered_set و unordered_map).
نوع‌های دیگر کانتینرها
bitset	مجموعه ای از بیت‌ها را مشابه بردارهای bool با اندازه ثابت ذخیره می‌کند. عملیات بیتی را اجرا می‌کند و فاقد تکرار کننده است. دنباله ای نیست. دسترسی تصادفی را فراهم می‌کند.
valarray	نوع داده دیگری از آرایه، که برای استفاده عددی (به ویژه برای نشان دادن بردارها و ماتریس‌ها) در نظر گرفته شده‌است. استاندارد C ++ بهینه‌سازی‌های خاصی را برای این منظور در نظر گرفته‌است. طبق گفته Josuttis، والارای توسط افرادی "که مدتها قبل از اتمام استاندارد از کمیته [C ++ standard] خارج شدند" بد طراحی شده‌است، و کتابخانه‌های قالب بیان ترجیح داده می‌شوند. بازنویسی پیشنهادی بخش vlarray از استاندارد در این رد رد شد، در عوض به مجوزی برای پیاده‌سازی آن با استفاده از الگوی بیان تبدیل شد.

Iterators

این کتابخانه شامل پنج نوع تکرارشونده است که عبارت اند از:

input iterators (که فقط برای خواندن مقادیر به صورت ترتیبی قابل استفاده هستند)،

output iterators (که فقط برای نوشتن مقادیر به صورت ترتیبی قابل استفاده هستند)،

forward iterators (که قابل خواندن، نوشتن و حرکت به جلو است)،

bidirectional iterators (مانند forward iterators هستند، اما همچنین می‌توانند به عقب حرکت کنند) و

random access iterators (که می‌توانند با تعداد آزادانه هر مرحله را در یک عملیات حرکت دهند)

یک مفهوم اساسی STL محدوده ای است که یک جفت تکرار شونده است که ابتدا و انتهای محاسبه را تعیین می‌کند و بیشتر قالب‌های الگوریتمی کتابخانه که بر روی ساختارهای داده کار می‌کنند دارای رابط‌هایی هستند که از بازه استفاده می‌کنند.

bidirectional iterators ممکن است مانند random access iterators عمل کنند، بنابراین حرکت به جلو در ده مرحله می‌تواند با حرکت به جلو در یک مرحله و در کل ده بار انجام شود. با این وجود، random access iterators مجزا مزایای کارایی را به همراه دارد. به عنوان مثال، یک بردار یک random access iterators دارد، اما یک لیست فقط یک bidirectional iterators دارد.

تکرار کننده‌ها ویژگی اصلی هستند که به کلیات STL اجازه می‌دهند. به عنوان مثال، یک الگوریتم برای معکوس سازی یک توالی می‌تواند با استفاده از bidirectional iterators پیاده‌سازی شود، و سپس همان پیاده‌سازی را می‌توان در لیست‌ها، vectors و deques استفاده کرد. کانتینرهای ایجاد شده توسط کاربر فقط باید یک تکرار کننده ارائه دهند که یکی از پنج رابط استاندارد تکرار کننده را پیاده‌سازی کند و تمام الگوریتم‌های ارائه شده در STL را می‌توان روی کانتینرها استفاده کرد.

Algorithms

تعداد زیادی الگوریتم برای انجام فعالیتهایی از قبیل جستجو و مرتب‌سازی در STL ارائه شده‌است که هرکدام برای نیاز به سطح مشخصی از تکرار کننده پیاده‌سازی شده‌اند (و بنابراین بر روی هر کانتینر که از طریق تکرار کننده‌ها رابطی را فراهم می‌کند کار خواهند کرد).

Functions

شمول شدن کتابخانه الگوریتم توابعی را به همراه دارد که در ترتیب دهی و جستجو در آرایه‌ها بسیار مفید است.الگوریتم‌ها در ظروف نقش بسیار مفیدی دارند.