Скотт Мейерс - Эффективное использование STL
• Нужно ли свести к минимуму количество недействительных итераторов, указателей и ссылок? Если нужно — выбирайте узловые контейнеры, поскольку в них операции вставки и удаления никогда не приводят к появлению недействительных итераторов, указателей и ссылок (если они не относятся к удаляемым элементам). В общем случае операции вставки и удаления в блоковых контейнерах могут привести к тому, что все итераторы, указатели и ссылки станут недействительными.
• Не подойдет ли вам последовательный контейнер с итераторами произвольного доступа, в котором указатели и ссылки на данные всегда остаются действительными, если из контейнера ничего не удаляется, а вставка производится только в конце? Ситуация весьма специфическая, но если вы с ней столкнетесь — выбирайте deque. Следует заметить, что итераторы deque могут стать недействительными, даже если вставка производится только в конце контейнера. Это единственный стандартный контейнер STL, у которого итераторы могут стать недействительными при действительных указателях и ссылках.
Вряд ли эти вопросы полностью исчерпывают тему. Например, в них не учитывается тот факт, что разные типы контейнеров используют разные стратегии выделения памяти (некоторые аспекты этих стратегий описаны в советах 10 и 14). Но и этот список наглядно показывает, что алгоритмическая сложность выполняемых операций — далеко не единственный критерий выбора. Бесспорно, она играет важную роль, но приходится учитывать и другие факторы.
При выборе контейнеров STL предоставляет довольно большое количество вариантов, а за пределами STL их оказывается еще больше. Прежде чем принимать окончательное решение, обязательно изучите все возможные варианты. «…Контейнер, используемый в большинстве случаев»? Я так не думаю.
Совет 2. Остерегайтесь иллюзий контейнерно-независимого кода
Основным принципом STL является обобщение. Массивы обобщаются в контейнеры, параметризованные по типам хранящихся объектов. Функции обобщаются в алгоритмы, параметризованные по типам используемых итераторов. Указатели обобщаются в итераторы, параметризованные по типам объектов, на которые они указывают.
Но это лишь начало. Конкретные разновидности контейнеров обобщаются в категории (последовательные и ассоциативные), а похожие контейнеры наделяются сходными функциями. Стандартные блоковые контейнеры (совет 1) обладают итераторами произвольного доступа, тогда как стандартные узловые контейнеры (также описанные в совете 1) поддерживают двусторонние итераторы. Последовательные контейнеры поддерживают операции push_front и/или push_back, у ассоциативных контейнеров такие операции отсутствуют. В ассоциативных контейнерах реализованы функции lower_bound, upper_bound и equal_range, обладающие логарифмической сложностью, а в последовательных контейнерах их нет.
При таких тенденциях к обобщению возникает естественная мысль — последовать положительному примеру. Желание похвальное. Несомненно, им стоит руководствоваться при написании собственных контейнеров, итераторов и алгоритмов, но многие программисты пытаются добиться этой цели несколько иным способом. Вместо того чтобы ориентироваться на конкретный тип контейнера, они пытаются обобщить синтаксис так, чтобы в программе, например, использовался vector, но позднее его можно было бы заменить на deque или list без изменения кода, в котором этот контейнер используется. Иначе говоря, они пытаются писать контейнерно-независимый код. Подобные обобщения, какими бы благими намерениями они не были вызваны, почти всегда нежелательны.
Даже самый убежденный сторонник контейнерно-независимого кода вскоре осознает, что универсальный код, работающий как с последовательными, так и с ассоциативными контейнерами, особого смысла не имеет. Многие функции существуют только в контейнерах определенной категории; например, функции push_front и push_back поддерживаются только последовательными контейнерами; функции count и lower_bound — только ассоциативными контейнерами и т. д. Даже сигнатуры таких базовых операций, как insert и erase, зависят от категории. Например, в последовательном контейнере вставленный объект остается в исходной позиции, тогда как в ассоциативном контейнере он перемещается в позицию, соответствующую порядку сортировки данного контейнера. Или другой пример: форма erase, которой при вызове передается итератор, для последовательного контейнера возвращает новый итератор, но для ассоциативного контейнера не возвращается ничего (в совете 9 показано, как это обстоятельство влияет на программный код).
Допустим, вас посетила творческая мысль — написать код, который работал бы со всеми распространенными последовательными контейнерами: vector, deque и list. Разумеется, вам придется программировать в контексте общих возможностей этих контейнеров, а значит, функции reserve и capacity (совет 14) использовать нельзя, поскольку они не поддерживаются контейнерами deque и list. Присутствие list также означает, что вам придется отказаться от оператора [] и ограничиться двусторонними итераторами, что исключает алгоритмы, работающие с итераторами произвольного доступа — sort, stable_sort, partial_sort и nth_element (совет 31).
С другой стороны, исходное намерение поддерживать vector исключает функции push_front и pop_front; vector и deque исключают применение splice и реализацию sort внутри контейнера. Учитывая те ограничения, о которых говорилось выше, последний запрет означает, что для вашего «обобщенного последовательного контейнера» не удастся вызвать никакую форму sort.
Пока речь идет о вещах простых и очевидных. При нарушении любого из этих ограничений ваша программа не будет компилироваться по крайней мере для одного из контейнеров, которые вы намеревались поддерживать. Гораздо больше проблем возникнет с программами, которые будут компилироваться.
В разных последовательных контейнерах действуют разные правила недействительности итераторов, указателей и ссылок. Чтобы ваш код правильно работал с vector, deque и list, необходимо предположить, что любая операция, приводящая к появлению недействительных итераторов, указателей и ссылок в любом из этих контейнеров, приведет к тем же последствиям и в используемом контейнере. Отсюда следует, что после каждого вызова insert недействительным становится абсолютно все, поскольку deque::insert делает недействительными все итераторы, а из-за невозможности использования capacity приходится предполагать, что после операции vector::insert становятся недействительными все указатели и ссылки (как упоминается в совете 1, контейнер deque обладает уникальным свойством — в некоторых случаях его итераторы могут становиться недействительными с сохранением действительных указателей и ссылок). Аналогичные рассуждения приводят к выводу, что после каждого вызова erase все итераторы, указатели и ссылки также должны считаться недействительными.
Недостаточно? Данные контейнера не передаются через интерфейс C, поскольку данная возможность поддерживается только для vector (совет 16). Вы не сможете создать экземпляр контейнера с типом bool — как будет показано в совете 18, vector<bool> не всегда ведет себя как vector и никогда не хранит настоящие логические величины. Вы даже не можете рассчитывать на постоянное время вставки-удаления, характерное для list, поскольку в vector и deque эти операции выполняются с линейной сложностью.
Что же остается после всего сказанного? «Обобщенный последовательный контейнер», в котором нельзя использовать reserve, capacity, operator[], push_front, pop_front, splice и вообще любой алгоритм, работающий с итераторами произвольного доступа; контейнер, у которого любой вызов insert и erase выполняется с линейной сложностью и приводит к недействительности всех итераторов, указателей и ссылок; контейнер, несовместимый с языком С и не позволяющий хранить логические величины. Захочется ли вам использовать подобный контейнер в своем приложении? Вряд ли.
Если умерить амбиции и отказаться от поддержки list, вы все равно теряете reserve, capacity, push_front и pop_front; вам также придется полагать, что вызовы insert и erase выполняются с линейной сложностью, а все итераторы, указатели и ссылки становятся недействительными; вы все равно теряете совместимость с С и не можете хранить в контейнере логические величины.
Даже если отказаться от последовательных контейнеров и взяться за ассоциативные контейнеры, дело обстоит не лучше. Написать код, который бы одновременно работал с set и map, практически невозможно, поскольку в set хранятся одиночные объекты, а в map хранятся пары объектов. Даже совместимость с set и multiset (или map и multimap) обеспечивается с большим трудом. Функция insert, которой при вызове передается только значение вставляемого элемента, возвращает разные типы для set/map и их multi-аналогов, при этом вы должны избегать любых допущений относительно того, сколько экземпляров данной величины хранится в контейнере. При работе с map и multimap приходится обходиться без оператора [], поскольку эта функция существует только в map.
