C++ 标准库

在 C++ 中，标准库（Standard Library）是一个非常重要的组成部分。标准库提供了大量的预定义函数和类，可以帮助我们更高效地完成各种任务，为了使用这些功能，我们需要在程序中导入相应的标准库头文件。

• 什么是C++标准库？

C++ 标准库是 C++ 语言的一部分，它包含了一系列的类和函数，用于处理常见的编程任务，如输入输出、字符串操作、数学计算、容器管理等。标准库的设计目标是提供高效、可移植和易于使用的工具，以帮助开发者快速构建应用程序。

1 导入 C++ 标准库

• 使用 #include 包含头文件

在 C++ 中，使用 #include 预处理指令来导入标准库头文件。#include 指令告诉编译器在编译时将指定的头文件内容插入到当前文件中，头文件通常包含函数声明、类定义、宏定义等内容。

导入 C++ 标准库语法格式如下：

#include <header_file>  // <header_file>是标准库头文件的名称

#include <iostream> // 提供了输入输出流的功能，如std::cout和std::cin
#include <vector>   // <vector>：提供了向量容器的实现，用于存储动态数组
#include <cmath>    // <cmath>：提供了常用的数学函数，如sqrt()、sin()、cos()等

• 使用模块导入标准库（C++20/C++23）

从 C++20 开始，C++ 引入了模块（Modules），并在 C++23 中进一步完善了对标准库模块的支持。模块提供了一种更高效、更安全的方式来导入标准库。

• 编译速度更快：模块只编译一次，后续导入时直接使用编译好的二进制接口。
• 隔离性更好：模块不会泄露宏定义和私有符号，避免了命名冲突。
• 依赖关系清晰：模块的导入和导出机制使得代码的依赖关系更加清晰。

import std;

int main() {
    std::cout << "Hello, C++23 Modules!\n"; // 使用 std::cout 输出
    return 0;
}

导入标准库的特定部分：

import std.core;    // 导入核心库
import std.iostream;    // 导入输入输出流库

int main() {
    std::cout << "Hello, C++23 Modules!\n";
    return 0;
}

目前，主流编译器对 C++ 模块的支持正在逐步完善。以下是一些编译器的支持情况和使用方法：

• gcc: 需要启用 C++23 标准和模块支持。编译命令示例：

g++ -std=c++23 -fmoudles-ts -o main.o main.cpp

• clang: 需要启用 C++23 标准和模块支持。编译命令示例：

clang++ -std=c++23 -fmoudles -o main.o main.cpp

• MSVC(Visual Studio): 需要启用 C++23 标准和模块支持。编译命令示例：

cl /std:c++23 /experimental:module /EHsc /Fe:main.o main.cpp

2 常见的C++标准库头文件

• <iostream>

<iostream>提供了输入输出流的功能。通过这个头文件，可以使用std::cout和std::cin来进行标准输出和输入。

• <vector>

<vector>提供了向量容器的实现。向量是一个动态数组，可以在运行时动态调整大小。它提供了许多有用的成员函数，如push_back()、size()等。

• <cmath>

<cmath>提供了常用的数学函数，如平方根、三角函数、指数函数等。这些函数通常用于数值计算。

#include <iostream>
#include <cmath>

int main() {
    double x = 3;
    double y = std::sqrt(x);
    std::cout << "Square root of " << x << " is " << y << std::endl;
    return 0;
}

• <string>

<string>提供了字符串类的实现。C++中的字符串类std::string比C语言中的字符数组更易于使用，并且提供了许多有用的成员函数，如length()、substr()等.

• <algorithm>

<algorithm>提供了许多常用的算法，如排序、查找、遍历等。这些算法可以应用于各种容器，如向量、列表等。

注意:

• 命名空间：C++标准库中的函数和类通常位于std命名空间中。因此，在使用这些函数和类时，通常需要加上std::前缀，或者使用using namespace std;来避免重复输入std::。

• 头文件保护：在编写自己的头文件时，通常需要使用头文件保护（Header Guards）来防止重复包含。标准库头文件已经包含了这些保护机制，因此我们不需要担心重复包含的问题。

• 兼容性：C++标准库在不同的编译器和平台上可能会有一些差异。因此，在编写跨平台的代码时，需要注意这些差异，并确保代码在不同环境下都能正常工作。

3 常用标准库

C++ 标准库可以分为两部分：

• 标准函数库： 这个库是由通用的、独立的、不属于任何类的函数组成的。函数库继承自 C 语言。
• 面向对象类库： 这个库是类及其相关函数的集合。

C++ 标准库包含了所有的 C 标准库，为了支持类型安全，做了一定的添加和修改。

以下是 C++ 标准库的主要组件分类及对应的头文件列表：

• 输入输出
  • <iostream>: 标准输入输出流
  • <fstream>: 文件输入输出流
  • <sstream>: 字符串流
  • <iomanip>: 输入输出流格式化
• 容器
  • <array>: 定长数组容器
  • <vector>: 动态数组容器
  • <deque>: 双端队列容器
  • <list>: 双向链表容器
  • <forward_list>: 单向链表容器
  • <stack>: 栈容器适配器
  • <queue>: 队列容器适配器
  • <priority_queue>: 优先队列容器适配器
  • <set>: 集合容器（基于平衡二叉树）
  • <unordered_set>: 无序集合容器（基于哈希表）
  • <map>: 映射容器（键值对，基于平衡二叉树）
  • <unordered_map>: 无序映射容器（基于哈希表）
  • <bitset>: 二进制位容器
• 算法和迭代器
  • <algorithm>: 常用算法（如排序、查找等）
  • <iterator>: 迭代器
• 函数对象和绑定
  • <functional>: 定义函数对象及相关工具
• 数学和数值运算
  • <numeric>: 数值操作（如累计、乘积等）
  • <complex>: 复数运算
  • <valarray>: 数组类及相关操作
  • <cmath>: 数学函数
• 字符串和正则表达式
  • <string>: 标准字符串类
  • <regex>: 正则表达式
• 时间和日期
  • <ctime>: 时间处理 * <chrono>: 时间库
• 多线程和并发
  • <thread>: 多线程支持
  • <mutex>: 互斥量
  • <condition_variable>: 条件变量
  • <future>: 异步编程支持
  • <atomic>: 原子操作
• 内存管理
  • <memory>: 智能指针及动态内存管理
  • <new>: 动态内存分配
• 类型特性和运行时类型识别
  • <type_traits>: 类型特性
  • <typeinfo>: 运行时类型识别
• 异常处理
  • <exception>: 异常处理基类及相关工具 * <stdexcept>: 常用异常类（如 std::runtime_error 等）
• 输入输出操作
  • <cstdio>: C 风格输入输出
  • <cstdint>: 定长整数类型
• 其他工具
  • <utility>: 通用工具（如 std::pair 和 std::move 等）
  • <random>: 随机数生成
  • <locale>: 本地化支持
  • <codecvt>: 字符编码转换
  • <cassert>: 断言
  • <cctype>: 字符处理
  • <cstring>: 字符串处理
  • <cwchar>: 宽字符处理
  • <climits>: 数值极限
  • <cfloat>: 浮点极限
  • <cstdlib>: 常用工具（如 std::rand 和 std::abs 等）

这些头文件构成了C++标准库的基础，提供了丰富的功能。

4 C++ 标准库

4.1 标准输入输出 – <iostream>

• 主要类
  • std::istream：用于输入操作的抽象基类。
  • std::ostream：用于输出操作的抽象基类。
  • std::iostream：继承自std::istream和std::ostream，用于同时进行输入和输出操作。
  • std::cin：标准输入流对象，通常与键盘关联。
  • std::cout：标准输出流对象，通常与屏幕关联。
  • std::cerr：标准错误输出流对象，不带缓冲，通常与屏幕关联。
  • std::clog：标准日志流对象，带缓冲，通常与屏幕关联。
• 常用操作符
  • >>：输入操作符，从输入流读取数据。
  • <<：输出操作符，将数据写入输出流。

• 格式化输出:

  使用<iomanip>库可以对输出进行格式化，例如设置宽度、精度和对齐方式。

#include <iostream>
#include <iomanip>

int main() {
    double pi = 3.14159;

    // 设置输出精度
    std::cout << std::setprecision(3) << pi << std::endl;

    // 设置输出宽度和对齐方式
    std::cout << std::setw(10) << std::left << pi << std::endl;
    std::cout << std::setw(15) << std::right << pi << std::endl;

    return 0;
}

输出：

3.14
3.14
           3.14

• 流的状态检查

可以检查输入输出流的状态，以确定操作是否成功。

#include <iostream>

int main() {
    int num;
    std::cout << "Enter a number: ";
    std::cin >> num;

    // 检查输入操作是否成功
    if (std::cin.fail()) {
        std::cerr << "Invalid input!" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "You entered: " << num << std::endl;
    }
    return 0;
}

• 处理字符串输入

使用std::getline函数可以读取包含空格的整行输入。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string fullName;
    std::cout << "Enter your full name: ";
    std::getline(std::cin, fullName);
    std::cout << "Hello, " << fullName << "!" << std::endl;
    return 0;
}