Question

C++还提供了其他一些类库，它们比本章讨论前面的例子更为专用。例如，头文件 complex 为复数提供了类模板 complex，包含用于 float、long 和 long double 的具体化。这个类提供了标准的复数运算及能够处理复数的标准函数。C++11 新增的头文件 random 提供了更多的随机数功能。

第 14 章介绍了头文件 valarray 提供的模板类 valarray。这个类模板被设计成用于表示数值数组，支持各种数值数组操作，例如将两个数组的内容相加、对数组的每个元素应用数学函数以及对数组进行线性代数运算。

16.7.1 vector、valarray 和 array

您可能会问，C++为何提供三个数组模板：vector、valarray 和 array。这些类是由不同的小组开发的，用于不同的目的。vector 模板类是一个容器类和算法系统的一部分，它支持面向容器的操作，如排序、插入、重新排列、搜索、将数据转移到其他容器中等。而 valarray 类模板是面向数值计算的，不是 STL 的一部分。例如，它没有 push_back( ) 和 insert( ) 方法，但为很多数学运算提供了一个简单、直观的接口。最后，array 是为替代内置数组而设计的，它通过提供更好、更安全的接口，让数组更紧凑，效率更高。Array 表示长度固定的数组，因此不支持 push_back( ) 和 insert( )，但提供了多个 STL 方法，包括 begin( )、end( )、rbegin( ) 和 rend( )，这使得很容易将 STL 算法用于 array 对象。

例如，假设有如下声明：

同时，假设 ved1、ved2、vod1、vod2、vad1 和 vad2 都有合适的值。要将两个数组中第一个元素的和赋给第三个数组的第一个元素，使用 vector 类时，可以这样做：

对于 array 类，也可以这样做：

然而，valarray 类重载了所有算术运算符，使其能够用于 valarray 对象，因此您可以这样做：

同样，下面的语句将使 vad3 中每个元素都是 vad1 和 vad2 中相应元素的乘积：

要将数组中每个元素的值扩大 2.5 倍，STL 方法如下：

valarray 类重载了将 valarray 对象乘以一个值的运算符，还重载了各种组合赋值运算符，因此可以采取下列两种方法之一：

假设您要计算数组中每个元素的自然对数，并将计算结果存储到另一个数组的相应元素中，STL 方法如下：

valarray 类重载了这种数学函数，使之接受一个 valarray 参数，并返回一个 valarray 对象，因此您可以这样做：

也可以使用 apply( ) 方法，该方法也适用于非重载函数：

方法 apply( ) 不修改调用对象，而是返回一个包含结果的新对象。

执行多步计算时，valarray 接口的简单性将更为明显：

有关使用 STL vector 来完成上述计算的代码留给您去完成。

valarray 类还提供了方法 sum( )（计算 valarray 对象中所有元素的和）、size( )（返回元素数）、max( )（返回最大的元素值）和 min( )（返回最小的元素值）。

正如您看到的，对于数学运算而言，valarray 类提供了比 vector 更清晰的表示方式，但通用性更低。valarray 类确实有一个 resize( ) 方法，但不能像使用 vector 的 push_back 时那样自动调整大小。没有支持插入、排序、搜索等操作的方法。总之，与 vector 类相比，valarray 类关注的东西更少，但这使得它的接口更简单。

valarray 的接口更简单是否意味着性能更高呢？在大多数情况下，答案是否定的。简单表示法通常是使用类似于您处理常规数组时使用的循环实现的。然而，有些硬件设计允许在执行矢量操作时，同时将一个数组中的值加载到一组寄存器中，然后并行地进行处理。从原则上说，valarray 操作也可以实现成利用这样的设计。

可以将 STL 功能用于 valarray 对象吗？通过回答这个问题，可以快速地复习一些 STL 原理。假设有一个包含 10 个元素的 valarray<double>对象：

使用数字填充该数组后，能够将 STL sort( ) 函数用于该数组吗？valarray 类没有 begin( ) 和 end( ) 方法，因此不能将它们用作指定区间的参数：

另外，vad 是一个对象，而不是指针，因此不能像处理常规数组那样，使用 vad 和 vad + 10 作为区间参数，即下面的代码不可行：

可以使用地址运算符：

但 valarray 没有定义下标超过尾部一个元素的行为。这并不一定意味着使用&vadp[10]不可行。事实上，使用 6 种编译器测试上述代码时，都是可行的；但这确实意味着可能不可行。为让上述代码不可行，需要一个不太可能出现的条件，如让数组与预留给堆的内存块相邻。然而，如果 3.85 亿的交易命悬于您的代码，您可能不想冒代码出现问题的风险。

为解决这种问题，C++11 提供了接受 valarray 对象作为参数的模板函数 begin( ) 和 end( )。因此，您将使用 begin(vad) 而不是 vad.begin。这些函数返回的值满足 STL 区间需求：

程序清单 16.20 演示了 vector 和 valarray 类各自的优势。它使用 vector 的 push_back( ) 方法和自动调整大小的功能来收集数据，然后对数字进行排序后，将它们从 vector 对象复制到一个同样大小的 valarray 对象中，再执行一些数学运算。

程序清单 16.20 valvect.cpp

下面是程序清单 16.20 中程序的运行情况：

除前面讨论的外，valarray 类还有很多其他特性。例如，如果 numbers 是一个 valarray<double>对象，则下面的语句将创建一个 bool 数组，其中 vbool[i]被设置为 numbers[i] > 9 的值，即 true 或 false：

还有扩展的下标指定版本，来看其中的一个——slice 类。slice 类对象可用作数组索引，在这种情况下，它表的不是一个值而是一组值。slice 对象被初始化为三个整数值：起始索引、索引数和跨距。起始索引是第一个被选中的元素的索引，索引数指出要选择多少个元素，跨距表示元素之间的间隔。例如，slice(1, 4, 3) 创建的对象表示选择 4 个元素，它们的索引分别是 1、4、7 和 10。也就是说，从起始索引开始，加上跨距得到下一个元素的索引，依此类推，直到选择了 4 个元素。如果 varint 是一个 valarray<int>对象，则下面的语句将把第 1、4、7、10 个元素都设置为 10：

这种特殊的下标指定功能让您能够使用一个一维 valarray 对象来表示二维数据。例如，假设要表示一个 4 行 3 列的数组，可以将信息存储在一个包含 12 个元素的 valarray 对象中，然后使用一个 slice(0, 3, 1) 对象作为下标，来表示元素 0、1 和 2，即第 1 行。同样，下标 slice(0, 4, 3) 表示元素 0、3、6 和 9，即第一列。程序清单 16.21 演示了 slice 的一些特性。

程序清单 16.21 vslice.cpp

对于 valarray 对象（如 valint）和单个 int 元素（如 valint[1]），定义了运算符+；但正如程序清单 16.21 指出的，对于使用 slice 下标指定的 valarray 单元，如 valint[slice(1, 4, 3)，并没有定义运算符+。因此程序使用 slice 指定的元素创建一个完整的 valint 对象，以便能够执行加法运算：

valarray 类提供了用于这种目的的构造函数。

下面是程序清单 16.21 中程序的运行情况：

由于元素值是使用 rand( ) 设置的，因此不同的 rand( ) 实现将设置不同的值。

另外，使用 gslice 类可以表示多维下标，但上述内容应足以让您对 valarray 有一定了解。

16.7.2 模板 initializer_list（C++11）

模板 initializer_list 是 C++11 新增的。您可使用初始化列表语法将 STL 容器初始化为一系列值：

这将创建一个包含 4 个元素的容器，并使用列表中的 4 个值来初始化这些元素。这之所以可行，是因为容器类现在包含将 initializer_list<T>作为参数的构造函数。例如，vector<double>包含一个将 initializer_list<double>作为参数的构造函数，因此上述声明与下面的代码等价：

这里显式地将列表指定为构造函数参数。

通常，考虑到 C++11 新增的通用初始化语法，可使用表示法{}而不是() 来调用类构造函数：

但如果类也有接受 initializer_list 作为参数的构造函数，这将带来问题：

这将调用哪个构造函数呢？

答案是，如果类有接受 initializer_list 作为参数的构造函数，则使用语法{}将调用该构造函数。因此在这个示例中，对应的是情形 B。

所有 initializer_list 元素的类型都必须相同，但编译器将进行必要的转换：

在这里，由于 vector 的元素类型为 double，因此列表的类型为 initializer_list<double>，所以 19 和 89 被转换为 double。

但不能进行隐式的窄化转换：

在这里，元素类型为 int，不能隐式地将 5.5 转换为 int。

除非类要用于处理长度不同的列表，否则让它提供接受 initializer_list 作为参数的构造函数没有意义。例如，对于存储固定数目值的类，您不想提供接受 initializer_list 作为参数的构造函数。在下面的声明中，类包含三个数据成员，因此没有提供 initializer_list 作为参数的构造函数：

这样，使用语法{}时将调用构造函数 Position(int, int, int)：

16.7.3 使用 initializer_list

要在代码中使用 initializer_list 对象，必须包含头文件 initializer_list。这个模板类包含成员函数 begin( ) 和 end( )，您可使用这些函数来访问列表元素。它还包含成员函数 size( )，该函数返回元素数。程序清单 16.22 是一个简单的 initializer_list 使用示例，它要求编译器支持 C++11 新增的 initializer_list。

程序清单 16.22 ilist.cpp

该程序的输出如下：

程序说明

可按值传递 initializer_list 对象，也可按引用传递，如 sum() 和 average() 所示。这种对象本身很小，通常是两个指针（一个指向开头，一个指向末尾的下一个元素），也可能是一个指针和一个表示元素数的整数，因此采用的传递方式不会带来重大的性能影响。STL 按值传递它们。

函数参数可以是 initializer_list 字面量，如{2, 3, 4}，也可以是 initializer_list 变量，如 dl。

initializer_list 的迭代器类型为 const，因此您不能修改 initializer_list 中的值：

但正如程序清单 16.22 演示的，可以将一个 initializer_list 赋给另一个 initializer_list：

然而，提供 initializer_list 类的初衷旨在让您能够将一系列值传递给构造函数或其他函数。