Chapter 16：The string Class and the Standard Template Library

为什么标准库的价值是契约组合而不只是少写代码

标准库把常见资源和算法装进具有复制、生命周期、范围和失败语义的类型。string 不只是可增长字符数组；container 不只是数据盒；algorithm 也不只是现成循环。它们通过迭代器和 callable contract 组合，让同一算法作用于多种表示。

string class 把字符、长度与资源绑成值

string 类（std::string）拥有字符序列并保存长度，支持复制、移动和自动释放。它可以包含空字符，因此 size() 才是完整长度证据；c_str() 提供以空字符结尾的临时观察指针，用于 C API，但修改 string 后指针可能失效。

#include <string>
 
std::string fullName(std::string first, std::string last) {
    std::string result = std::move(first);
    result += ' ';
    result += last;
    return result;
}

size() 是当前元素数，capacity() 是不重新分配可容纳的数量；capacity 不是可访问元素范围。reserve() 可减少已知增长的重分配，resize() 才改变 size 并建立/删除字符。

查找和子串要把 npos 当作显式分支

find() 失败返回 std::string::npos，不能把它当普通索引继续加一。substr(pos,count) 要求 pos 合法并返回新 string；compare 和关系运算按字典序，不等价于数字或本地化排序。

std::string_view value{"scheme://host/path"};
const std::size_t marker = value.find("://");
if (marker == std::string_view::npos) {
    throw std::invalid_argument{"missing scheme"};
}
const std::string_view scheme = value.substr(0, marker);

混用 operator>> 和 getline 时，格式化提取会留下分隔换行；应决定是否 std::ws 跳过前导空白，或始终按行读取再解析。输入协议不是 string 自动替你选择的。

smart pointer templates 把 owner 写进类型

智能指针模板（smart pointer templates）用析构、复制和移动规则表达资源责任。unique_ptr<T> 是唯一 owner，移动转移；shared_ptr<T> 的强引用组共同延长生命周期；weak_ptr<T> 观察共享对象而不延长生命，使用前通过 lock() 获取临时强引用。

#include <memory>
 
auto owner = std::make_unique<Widget>(42);
Widget* borrowed = owner.get();
 
auto transferred = std::move(owner);
// owner is now empty; borrowed is valid only while transferred owns the Widget

旧 auto_ptr 的复制会转移所有权，不能满足普通容器和值语义，现代 C++ 已移除；使用 unique_ptr 显式 move。shared_ptr 不是默认升级：循环引用需要 weak_ptr 打断，共享可变对象还需要同步和领域一致性。

STL containers 选择的是复杂度和稳定性契约

STL 容器（STL containers）管理元素范围。sequence container 如 vector/deque/list 强调位置顺序；associative container 如 set/map 按 key 组织；unordered container 以 hash 分桶；adapter 如 stack/queue 限制底层接口。

#include <map>
#include <vector>
 
std::vector<std::string> names{"Ada", "Bjarne", "Barbara"};
std::map<std::string, int> scoreByName;
for (const auto& name : names) {
    scoreByName.emplace(name, 0);
}

vector 连续、随机访问快，但增长重分配会使所有 pointer/reference/iterator 失效；list 插入稳定却不支持随机访问；map 的查找和顺序契约不同于 unordered_map。选择依据是访问、插入、顺序、内存局部性和失效规则，不是名字熟悉度。

iterator 把算法与容器表示解耦

迭代器（iterator）表示范围中的位置。STL 使用半开区间 [first,last)：first 可指向首元素，last 是尾后位置不可解引用，空范围满足 first==last。不同算法要求 input、forward、bidirectional 或 random-access 能力。

auto it = names.begin();
while (it != names.end()) {
    if (it->empty()) {
        it = names.erase(it);  // use returned next iterator
    } else {
        ++it;
    }
}

修改容器后必须按该容器/操作的失效规则更新迭代器。缓存 end()、元素地址或索引也各有不同稳定性，不应泛化成“迭代器总会失效”或“list 永不失效”。

generic programming 复用满足操作要求的类型

泛型编程（generic programming）把算法写成类型/操作模式，而不是绑定具体类层次。STL algorithm 接收 iterator range，并通过函数对象（functor）、函数指针或 lambda 注入比较、谓词和变换策略。

struct ByLength {
    bool operator()(const std::string& a, const std::string& b) const {
        return a.size() < b.size();
    }
};
 
std::sort(names.begin(), names.end(), ByLength{});

sort 需要 random-access iterator，比较器必须形成 strict weak ordering。若比较器对同一元素不稳定、让 comp(a,a) 为真或产生环，算法前置条件被破坏，结果不可信。

algorithms 把遍历、输出和策略分开

算法（algorithm）通常不改变容器 size，只在给定范围读写；remove_if 只把保留元素移到前部并返回逻辑新尾，真正删除 vector 尾部还需 erase。输出算法要有足够空间或使用 inserter。

auto newEnd = std::remove_if(
    names.begin(), names.end(),
    [](const std::string& name) { return name.empty(); }
);
names.erase(newEnd, names.end());

for_each 适合副作用，transform 生成变换结果，accumulate 折叠范围；从意图选择算法能把边界循环交给库，但前置条件仍需测试。

valarray 提供逐元素数值表达式

std::valarray<T> 面向同类数值序列，算术运算逐元素执行，并提供 sum、min、max、shift、slice 等能力。它不是 vector 的通用替代：iterator/容器互操作历史上较弱，元素类型和操作集中于数值计算。

#include <valarray>
 
std::valarray<double> samples{1.0, 2.0, 3.0};
std::valarray<double> calibrated = samples * 2.0 + 1.0;
double total = calibrated.sum();

先预测 sort/filter/transform/valarray 四条管线需要的 iterator、输出和 callable 条件，再切换实验面板。记录输入、期望输出和失效点，不能只看模板是否编译。

三步验证标准库管线

小结

• string class 绑定字符、size 和资源；capacity 不是可访问范围，C 指针观察受修改失效约束
• smart pointer templates 编码 owner 协议，但不自动解决借用、循环或共享可变状态
• STL containers 通过复杂度、顺序和 invalidation contract 区分
• iterator 以半开范围连接表示与 algorithms，算法还要求具体 iterator category
• generic programming 用操作要求复用类型，functor 注入策略并必须保持比较/谓词语义
• algorithms and valarray 分别提供范围操作与逐元素数值表达式

名词解释