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표준 템플릿 라이브러리

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목차

1. 개요

표준 템플릿 라이브러리(STL)는 C++ 프로그래밍 언어의 핵심 부분으로, 제네릭 프로그래밍 개념을 기반으로 하여 컨테이너, 반복자, 알고리즘, 함수 객체 등 다양한 요소들을 제공한다. 1979년 알렉산더 스테파노프가 제네릭 프로그래밍 아이디어를 구상한 이후 여러 연구와 개발 과정을 거쳐, 1994년 ANSI/ISO C++ 표준에 포함되었다. STL은 컨테이너 어댑터, 반복자, 알고리즘, 함수 객체 등을 통해 자료 구조와 알고리즘을 효율적으로 활용할 수 있도록 지원하며, 컴파일러의 구현 품질에 따라 성능이 달라질 수 있다는 비판도 존재한다.

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표준 템플릿 라이브러리
개요
종류소프트웨어 라이브러리
프로그래밍 언어C++
구성 요소
주요 요소컨테이너
반복자
함수 객체
알고리즘

2. 역사

알렉산더 스테파노프는 1979년부터 제네릭 프로그래밍에 대한 초기 아이디어를 구상하고 연구하기 시작했다. 초기에 제너럴 일렉트릭 R&D 부서의 동료들(데이비드 머서, 딥팍 카푸르)과 함께 제네릭 프로그래밍을 소프트웨어 개발의 기초로 삼는 연구를 진행했다. 당시에는 제네릭 프로그래밍을 지원하는 프로그래밍 언어가 없었지만, Ada가 제네릭 유닛 기능을 통해 최초로 이를 지원하게 되었다.[15]

1987년까지 스테파노프와 머서는 제네릭 프로그래밍 연구 성과로 Ada의 리스트 처리 라이브러리를 개발하여 출시했다. 그러나 Ada는 군수 산업 외에는 널리 보급되지 않았고, C++가 더 널리 보급되어 제네릭 프로그래밍을 지원할 가능성이 높다고 판단되었다. 스테파노프는 포인터를 사용하여 효율성을 유지하면서 메모리에 유연하게 접근할 수 있는 C/C++의 계산 모델을 보급의 결정적인 요소로 여겼다.[15]

이후 AT&T벨 연구소와 휴렛 팩커드(HP) 연구소에서 C 언어(나중에는 C++)로 수많은 아키텍처와 알고리즘 구현 방법을 검증했다. 1992년에는 멩 리(Meng Lee)가 HP의 스테파노프 프로젝트에 합류하여 주요 기여자가 되었다.[15]

1993년 11월, 벨 연구소의 앤드루 코에닉(Andrew Koenig)의 제안으로 스테파노프는 ANSI/ISO C++ 표준화 위원회에 아이디어를 제출했다. 위원회는 이를 전면적으로 찬성했고, 1994년 3월 회의에서 코에닉의 공식 요청으로 이어졌다. 위원회는 몇 가지 변경 및 확장을 요구했고, 특히 컨테이너에 대한 확장은 데이비드 머서가 구현을 맡았다. 1994년 7월 ANSI/ISO 위원회에서 최종 승인을 받았다.[15]

이후 스테파노프와 리의 문서 17은 ANSI/ISO C++ 표준 초안판에 포함되었으며, string과 같은 다른 C++ 표준 라이브러리 기능에도 영향을 미쳤다.[15]

STL의 조기 보급은 1994년 봄 휴렛 팩커드가 구현을 인터넷에 공개하면서 크게 개선되었다. 스테파노프, 리, 머서가 개발한 이 구현은 현재 컴파일러 및 라이브러리 제조업체가 출시하는 많은 구현의 기초가 되었다.[15]

3. 구성 요소

템플릿을 기반으로 하는 C++ 표준 템플릿 라이브러리(STL)는 컨테이너, 반복자, 알고리즘, 함수 객체 등 4가지 주요 구성 요소를 제공한다.


  • 컨테이너: 데이터를 저장하는 객체이다.
  • 반복자: 컨테이너 내의 요소를 순회하고 접근하는 방법을 제공한다.
  • 알고리즘: 반복자를 이용하여 컨테이너의 요소를 조작하는 함수들이다. (예: 정렬, 검색)
  • 함수 객체: 함수처럼 동작하는 객체로, 알고리즘의 동작을 정의한다.


STL은 템플릿을 사용하여 제네릭 프로그래밍을 지원하며, 컨테이너와 알고리즘이 서로 독립적으로 동작한다. 각 구성 요소는 '컨셉'이라는 요구 사항을 만족해야 하며, 이를 통해 사용자가 직접 만든 클래스나 함수도 STL 구성 요소와 함께 사용할 수 있다. 이는 덕 타이핑과 유사하지만, STL은 정적 타입 시스템을 사용한다.

STL의 정의는 다양하게 해석될 수 있지만, 일반적으로 C++ 표준 라이브러리의 컨테이너, 반복자, 알고리즘, 함수 객체를 포함한다.

3. 1. 컨테이너

hash_multiset
hash_map
hash_multimap각각 set, multiset, map 또는 multimap과 유사하지만 해시 테이블을 사용하여 구현된다. 키는 정렬되지 않지만 키 유형에 대한 해시 함수가 존재해야 한다. 이러한 유형은 C++ 표준에서 제외되었다. 유사한 컨테이너는 C++11에서 표준화되었지만 다른 이름 (`unordered_set` 및 `unordered_map`)으로 제공되었다.기타 유형의 컨테이너bitset고정 크기 bool 벡터와 유사한 일련의 비트를 저장한다. 비트 연산을 구현하고 반복기가 없다. 시퀀스가 아니다. 임의 접근을 제공한다.valarray다른 배열 데이터 유형이며, 숫자 사용 (특히 벡터 및 행렬)을 위해 사용된다. C++ 표준은 이러한 의도된 목적에 대한 특정 최적화를 허용한다.



기본적인 데이터 구조들이 갖춰져 있다.



(\*) 표시가 붙은 것은 C++11 규격으로 도입·표준화되었다.

컨테이너 중 vector와 array는 C의 배열과 호환성을 가지며, 데이터 영역의 연속성이 보장된다.

unordered 컨테이너의 명칭으로, `unordered_set`/`unordered_map` 등이 아닌 `hash_set`/`hash_map` 등으로 하는 것도 검토되었다. 그러나 `hash_set`/`hash_map` 등과 같은 명칭은 이미 외부 라이브러리 등에서 자주 사용되고 있어, 혼란을 피하기 위해 현재의 명칭이 되었다.

이 외에도 C++ 표준 라이브러리의 `basic_string` 클래스가 STL의 컨테이너의 요건을 만족시키기 때문에, 이것도 STL의 일부로 간주하는 경향이 있다.

3. 1. 1. 컨테이너 어댑터

표준 템플릿 라이브러리(STL)는 기존 컨테이너의 인터페이스를 제한하여 특정한 기능을 제공하는 컨테이너 어댑터를 제공한다. 대표적인 컨테이너 어댑터는 다음과 같다.

이들은 다른 컨테이너를 내부에 유지하고 해당 컨테이너의 일부 기능만 공개하여 특정한 기능을 구현한다. STL 컨테이너의 요구 사항을 충족하지 않으므로, 표준의 일부이지만 STL 컨테이너로는 취급되지 않는다.

컨테이너 어댑터설명지원 연산구현에 사용 가능한 컨테이너
queueFIFO 방식으로 동작하는 큐 인터페이스 제공`push`/`pop`/`front`/`back``list`, `deque`
priority queue우선순위 큐 인터페이스 제공 (높은 우선순위 요소가 위에 존재)`push`/`pop`/`top``vector`, `deque`
stackLIFO 방식으로 동작하는 스택 인터페이스 제공 (마지막에 삽입된 요소가 위에 존재)`push`/`pop`/`top``vector`, `list`, `deque`


3. 2. 반복자 (Iterator)

STL은 다섯 가지 유형의 반복자를 구현한다. 이는 '입력 반복자'(일련의 값을 읽는 데만 사용할 수 있음), '출력 반복자'(일련의 값을 쓰는 데만 사용할 수 있음), '정방향 반복자'(읽고, 쓰고, 앞으로 이동할 수 있음), '양방향 반복자'(정방향 반복자와 유사하지만 뒤로 이동할 수도 있음) 및 '임의 접근 반복자'(한 번의 연산으로 원하는 수만큼 자유롭게 이동할 수 있음)이다.[6]

양방향 반복자가 임의 접근 반복자처럼 작동하도록 할 수 있다. 예를 들어 열 걸음 앞으로 이동하는 것은 한 번에 한 걸음씩 총 열 번 이동하는 것으로 수행할 수 있다. 그러나 별개의 임의 접근 반복자를 갖는 것은 효율성 측면에서 이점이 있다. 예를 들어, 벡터는 임의 접근 반복자를 갖지만, 리스트는 양방향 반복자만 갖는다.

반복자는 STL의 일반성을 허용하는 주요 기능이다. 예를 들어, 시퀀스를 뒤집는 알고리즘은 양방향 반복자를 사용하여 구현할 수 있으며, 동일한 구현을 리스트, 벡터 및 deque에 사용할 수 있다. 사용자가 생성한 컨테이너는 다섯 가지 표준 반복자 인터페이스 중 하나를 구현하는 반복자를 제공하기만 하면 되며, STL에서 제공하는 모든 알고리즘을 컨테이너에서 사용할 수 있다.

이러한 일반성은 때때로 대가를 치르게 하기도 한다. 예를 들어, 맵 또는 집합과 같은 연관 컨테이너에서 검색을 수행하는 것은 컨테이너 자체가 제공하는 멤버 함수를 호출하는 것보다 반복자를 사용하는 것이 훨씬 느릴 수 있다. 이는 연관 컨테이너의 메서드가 반복자를 사용하는 알고리즘에는 불투명한 내부 구조에 대한 지식을 활용할 수 있기 때문이다.

반복자는 컨테이너에 대표되는 요소 집합의 개별 요소를 참조하기 위한 클래스이다. 반복자는 배열의 요소를 가리키는 포인터를 추상화한 것이라고 할 수 있다. 하지만 모든 반복자가 포인터가 가진 기능 전부를 갖추고 있는 것은 아니다. STL에서는 반복자에 대해 수행할 수 있는 연산에 따라 몇 가지 개념이 정의되어 있다.

종류설명예시
입력 반복자
(InputIterator)		요소에 대한 읽기 전용 접근을 제공하는 반복자. 요소의 읽기가 가능하다면 InputIterator로 간주할 수 있다.입력 스트림에 연결된 istream_iterator
출력 반복자
(OutputIterator)		요소에 대한 쓰기 전용 접근을 제공하는 반복자. 요소에 할당이 가능하다면 OutputIterator로 간주할 수 있다.출력 스트림에 연결된 ostream_iterator
전방 반복자
(ForwardIterator)		일단 전방으로 진행하면 역방향으로는 돌아갈 수 없는 반복자. 요소에 할당과 읽기가 가능하다면 ForwardIterator로 간주할 수 있다. InputIterator와 OutputIterator를 조합한 것이라고 할 수 있다.단방향 리스트 컨테이너의 반복자
양방향 반복자
(BidirectionalIterator)		전방과 후방 모두로 이동할 수 있는 기능을 갖춘 것. ForwardIterator의 요건에 더해, 감소가 가능하다면 BidirectionalIterator로 간주할 수 있다.리스트, set, multiset, 맵, multimap 컨테이너의 반복자
임의 접근 반복자
(RandomAccessIterator)		포인터처럼 임의 접근을 할 수 있는 반복자. BidirectionalIterator의 요건에 더해, 산술 연산이 가능하다면 RandomAccessIterator로 간주할 수 있다.벡터, array, deque의 반복자(및 포인터)



STL의 사양에서는 벡터, array, deque의 반복자가 요소 n개만큼 진행하는 연산을 O(1)의 효율로 수행하는 것이 보장된다(반대로, 이 외의 반복자는 O(n)의 시간이 필요하다).

모든 반복자는 전진(++it), 등호 비교(it1 != it2), 역참조(*it)가 가능해야 한다.

3. 3. 알고리즘

STL에서 알고리즘은 반복자를 사용하여 컨테이너의 요소에 대한 연산을 수행하는 함수이다. 이러한 함수들은 정렬, 검색, 복사, 변경 등 다양한 작업을 수행한다. 예를 들어, `sort`는 정렬, `find`는 검색, `copy`는 복사, `transform`은 변경, `binary_search`와 `lower_bound`는 이진 검색을 수행한다.

STL 알고리즘은 대부분 특정 수준의 반복자를 요구하므로, 반복자를 제공하는 모든 컨테이너에서 동작한다. `binary_search` 및 `lower_bound`와 같은 검색 알고리즘은 이진 탐색을 사용하며, 정렬 알고리즘과 마찬가지로 비교 연산자(`<`)를 구현하거나 사용자 지정 비교 함수를 사용해야 한다. 이 비교 연산자 또는 비교 함수는 엄격한 약한 순서(strict weak ordering)를 보장해야 한다.

이 외에도 STL은 다음 기능을 제공한다.

  • 요소 범위에서 힙 생성
  • 요소 범위의 사전순 정렬 순열 생성
  • 정렬된 범위 병합
  • 정렬된 범위의 합집합, 교집합, 차집합 연산 수행


다음은 `copy` 알고리즘을 사용하여 `v1` 컨테이너의 내용을 `v2` 컨테이너로 복사하는 예시이다.

```cpp

std::vector v1(3), v2(3);

v1[0] = 2;

v1[1] = 1;

v1[2] = 7;

std::copy(v1.begin(), v1.end(), v2.begin());

```

`copy` 알고리즘은 컨테이너 `v1`의 시작과 끝 반복자를 입력받아 `v2`의 반복자에 순서대로 복사한다. 컨테이너 요소가 동일하거나 변환 가능하다면, `vector`에서 `list`로, `set`에서 `vector`로 복사하는 것도 가능하다.

3. 4. 함수 객체 (Functor)

STL은 함수 호출 연산자(`operator()`)를 오버로드하는 클래스들을 포함한다. 이러한 클래스의 인스턴스들을 함수자 또는 함수 객체라고 부른다. 함수자는 연관된 함수의 행동을 매개변수화하고(예: 함수자의 생성자로 넘겨지는 인자를 통해) 함수와 함께 사용될 per-functor 상태를 유지할 수 있다. 함수자와 함수 포인터는 모두 함수 호출 문법을 사용하여 호출될 수 있기 때문에, 해당 매개변수가 함수 호출 문맥에서만 보일 때 템플릿 인자로 서로 교체될 수 있다.

특히 일반적인 함수자 타입은 술어이다. 예를 들어, `find_if` 같은 알고리즘은 시퀀스의 요소에 대해 동작하는 단항 술어를 갖는다.[1] `sort`, `partial_sort`, `nth_element`와 모든 정렬된 컨테이너는 엄격한 약한 순서를 제공해야 하는 이항 술어를 사용한다.[1] 만약 제공되지 않으면, 이러한 알고리즘들과 컨테이너들은 기본값으로 `less`를 사용하며, 이것은 결국 less-than-operator `<` 를 호출한다.[1]

함수 객체는 `operator()` (함수 호출 연산자)를 오버로딩한 클래스의 일종으로, 객체이면서 함수처럼 호출할 수 있다는 특징을 가지고 있다.[3] 펑크터(functor)라고도 불린다.[3]

일반적으로 함수 객체로 표현된 함수는 객체를 생성하여 알고리즘에 값 전달하므로, 비슷한 목적으로 사용할 수 있는 함수 포인터보다 오버헤드가 클 것이라고 생각될 수 있지만, 실제로는 컴파일러의 최적화로 코드의 인라인 전개가 이루어져 함수 호출이 없어질 가능성이 높기 때문에, 함수 포인터를 사용하는 것보다 빠른 경우가 많다.[3] 예를 들어 C 표준 라이브러리의 `qsort`보다 STL 알고리즘의 `sort`가 종종 더 빠르다는 것은 잘 알려져 있다.[3]

STL에서는 함수 객체 대신 함수 포인터를 사용하는 것도 가능하다.[3]

4. 비판

STL은 거의 모든 요소가 C++의 템플릿을 사용하여 만들어졌기 때문에, 템플릿 관련 C++ 표준을 잘 지키지 않는 컴파일러나 템플릿 기능이 없는 Embedded C++에서는 사용에 제한이 있거나, 아예 사용할 수 없는 경우가 있었다.

하지만 2003년에는 C++ 표준을 잘 지키는 최적화 컴파일러인 Visual C++ Toolkit 2003이 마이크로소프트(Microsoft)에서 무료로 배포되는 등, 많은 환경에서 템플릿 이용에 대한 문제는 줄어들고 있다.

코드량 증가와 같은 문제는 C++ 템플릿 기능 자체의 문제이지, STL만의 문제는 아니다.[7]

4. 1. 구현의 질

C++ 컴파일러의 구현 품질(QoI)은 STL(및 일반적으로 템플릿화된 코드)의 사용성에 큰 영향을 준다.

  • 템플릿 관련 오류 메시지는 매우 길고 해독하기 어려운 경향이 있다. 이 문제는 매우 심각하게 여겨져서, 이러한 오류 메시지를 단순화하고 예쁘게 인쇄하여 이해하기 쉽게 만드는 여러 도구가 개발되었다.[7]
  • 템플릿을 부주의하게 사용하면 코드 비대화가 발생할 수 있다.[7] 이는 STL 구현 내부의 특수 기법(내부적으로 void* 컨테이너 사용 등)과 컴파일러의 최적화 기술 향상으로 대응하고 있다. 하지만 이러한 증상은 일련의 함수를 다른 유형으로 작업하도록 수동으로 복사하는 것과 유사하며, 주의와 훌륭한 기술로 모두 피할 수 있다.
  • 템플릿 인스턴스화는 컴파일 시간 및 메모리 사용량을 증가시킬 수 있다. 컴파일러 기술이 충분히 향상되기 전까지 이 문제는 신중한 코딩, 특정 관용구 회피, 템플릿이 적절하지 않거나 컴파일 시간 성능이 우선시되는 경우 템플릿을 사용하지 않음으로써 부분적으로만 제거할 수 있다.


C++의 템플릿은 템플릿 인수가 다르면 각각 완전히 다른 타입으로 취급되며, 각각 별도의 기계어 코드로 컴파일된다. 예를 들어, `std::vector`와 `std::vector`는 별개의 코드로 생성되어 코드 크기를 증가시킬 수 있다. 이는 임베디드 시스템과 같이 저장 용량에 제한이 있는 환경에서는 문제가 될 수 있다.

하지만, PC처럼 메모리나 저장 용량에 여유가 있는 환경에서는 코드 크기 증가는 상대적으로 미미하다고 할 수 있다. 컴파일러에 따라서는 중복을 제거하여 코드 증가를 억제하기도 한다.

STL은 거의 모든 요소가 템플릿으로 만들어졌기 때문에, 템플릿 관련 C++ 표준 준수도가 낮은 컴파일러나 템플릿 기능이 없는 Embedded C++에서는 사용에 제한이 있을 수 있다. 그러나 2003년 이후 C++ 표준 준수도가 높아진 최적화 컴파일러가 마이크로소프트 등에서 배포되면서 이러한 문제는 줄어들고 있다.

STL은 유연하고 강력하지만, 기존 C/C++ 프로그래밍과는 다른 사고방식과 기법이 필요하다. 따라서 STL 사용 경험이 없는 프로그래머에게는 소스 코드가 이해하기 어려울 수 있다.

4. 2. 기타 문제점

STL 컨테이너는 기본 클래스로 사용하도록 설계되지 않았으며, 소멸자가 가상 함수가 아니다. 따라서 컨테이너를 상속하는 것은 흔한 실수이다.[18][19]

STL에서 구현된 반복자의 개념은 처음에는 이해하기 어려울 수 있다. 예를 들어 반복자가 가리키는 값이 삭제되면, 반복자 자체는 더 이상 유효하지 않게 된다. 대부분의 STL 구현은 느리지만 이러한 오류를 찾을 수 있는 디버그 모드를 제공한다. 자바와 같은 다른 언어에서도 유사한 문제가 존재하며, 범위는 반복자에 대한 더 안전하고 유연한 대안으로 제안되었다.[20]

컴파일러가 할당자 객체가 컨테이너의 메모리 관리에 사용될 때 상태 종속 동작으로 작동할 것이라고 보장하지는 않는다. (C++11에서 해결됨)

5. 구현


  • GNU 프로젝트의 libstdc++ (libg++의 한 부분)[24]
  • LLVM의 libc++
  • 비주얼 C++에 포함된 Microsoft STL. Dinkum STL에 기반한다.[14]
  • Apache C++ Standard Library

참조

[1] 서적 C++ : Black Book Coriolis Group
[2] 서적 STL tutorial and reference guide: C++ programming with the standard template library Addison Wesley
[3] 웹사이트 What's the difference between "STL" and "C++ Standard Library"? https://stackoverflo[...] Stack Overflow 2011-03-05
[4] 서적 The C++ Standard Library: A Tutorial and Handbook https://archive.org/[...] Addison-Wesley Professional
[5] 서적 C++ Templates: The Complete Guide Addison Wesley
[6] 웹사이트 The Standard Template Library http://stepanovpaper[...] 2018-12-16
[7] 웹사이트 Minimizing Code Bloat: Template Overspecialization http://gameangst.com[...]
[8] 서적 Effective C++ Third Edition – 55 Specific Ways to Improve Your Designs https://archive.org/[...] Addison Wesley
[9] 서적 C++ Coding Standards: 101 Rules, Guidelines, and Best Practices Addison-Wesley
[10] 웹사이트 Iterators Must Go https://github.com/b[...] BoostCon 2009 2011-03-19
[11] 간행물 Callback Enumeration APIs & the Input Iterator Concept http://www.ddj.com/c[...] 2004-02
[12] 서적 The C++ Programming Language Addison-Wesley
[13] 문서 More STL algorithms (revision 2) http://www.open-std.[...]
[14] 웹사이트 Apache C++ Standard Library https://stdcxx.apach[...] 2023-03-01
[15] 간행물 Al Stevens Interviews Alex Stepanov 2007-07-18
[16] 서적 C++ : Black Book Coriolis Group
[17] 서적 STL tutorial and reference guide: C++ programming with the standard template library https://archive.org/[...] Addison Wesley
[18] 서적 Effective C++ Third Edition – 55 Specific Ways to Improve Your Designs https://archive.org/[...] Addison Wesley
[19] 서적 C++ Coding Standards: 101 Rules, Guidelines, and Best Practices https://archive.org/[...] Addison-Wesley
[20] 웹인용 Iterators Must Go https://github.com/b[...] BoostCon 2009 2009-05-06
[21] 저널 Callback Enumeration APIs & the Input Iterator Concept http://www.ddj.com/c[...] 2004-02
[22] 서적 The C++ Programming Language Addison-Wesley
[23] 문서 More STL algorithms (revision 2) http://www.open-std.[...]
[24] 웹인용 libstdc++ Homepage http://gcc.gnu.org/l[...] 2016-02-08


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