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C++20中std::format的示例代码

作者:炫酷的伊莉娜

本文详细介绍了C++20中std::format的功能、使用方法和高级应用,包括基本用法、数字和文本的格式化、日期和时间的处理、自定义类型的格式化等,感兴趣的可以了解一下

一、前言

1、传统 C++ 格式化的问题与挑战

2、C++20 引入 std::format 的背景

鉴于传统 C++ 格式化方法的局限性,C++20 标准中引入了 std::format 库,目的是提供一种更现代、更安全、更灵活的格式化方法。引入 std::format 的主要目的:

总之,std::format 作为 C++20 标准的一部分,旨在解决传统 C++ 格式化方法的问题,并为开发者提供一种更现代、更安全、更灵活的格式化工具。

二、std::format 简介

1、std::format 的基本概念

std::format 是 C++20 标准库中新增的一个格式化工具,它基于 Python 中的 str.format() 函数,提供了一种类型安全且易于阅读的字符串格式化方法。std::format 的主要特点包括:

2、std::format 与 printf、iostreams 的对比

下面我们将对比 std::format 与 printf 和 iostreams 之间的主要差异:

可读性:std::format 使用花括号作为占位符,并允许在占位符内定义格式规范。这使得格式化字符串更具可读性,相较于 printf 和 iostreams 更为简洁明了。

std::cout << std::format("Hello, {}!\n", "World");  // std::format
printf("Hello, %s!\n", "World");                    // printf
std::cout << "Hello, " << "World" << "!\n";         // iostreams

类型安全:std::format 在编译期间检查参数类型的正确性,而 printf 在运行时检查类型。iostreams 也具有类型安全性,但 std::format 更接近 printf 的语法,使得从 printf 迁移到std::format 更容易。

扩展性:std::format 支持自定义类型的格式化,而 printf 仅支持内置类型。iostreams 通过重载插入和提取操作符支持自定义类型,但 std::format 提供更为统一的扩展方法。

性能:std::format 在设计时充分考虑了性能问题,因此在许多场景下性能优于 iostreams。而与 printf 相比,std::format 的性能表现也非常出色。

综上所述,std::format 在可读性、类型安全性、扩展性和性能方面都表现优异,成为现代 C++ 编程中推荐的字符串格式化工具。

3、高效使用std::format的理由

总之,std::format 作为 C++20 标准库的一部分,为开发者提供了强大、易用的字符串格式化工具。使用 std::format 可以简化代码、提高可读性、增强类型安全性,并有助于提高代码的健壮性和性能。因此,在现代 C++ 编程中,高效使用 std::format 是非常重要的。

三、基本用法

1、格式字符串与占位符

std::format 使用格式字符串来定义输出的格式。格式字符串中的占位符用花括号 {} 表示,可以包含以下几个部分:

#include <iostream>
#include <format>

int main()
{
    int age = 30;
    double pi = 3.1415926;
    std::string name = "Alice";
    std::cout << std::format("My name is {0} and I am {1} years old.\n", name, age);
    std::cout << std::format("Pi is approximately {0}.\n", pi);
    return 0;
}

2、类型规格与格式选项

std::format 支持各种类型规格与格式选项,以便对输出进行详细的控制。以下是一些常见的类型规格与格式选项

(1)整数

std::cout << std::format("{0:d} {0:x} {0:X} {0:o} {0:b}\n", 42);

(2)浮点数

std::cout << std::format("{0:f} {0:e} {0:E} {0:g} {0:G}\n", 3.1415926535);

(3)字符串

s:字符串

std::cout << std::format("{:s}\n", "Hello, World!");

(4)宽度、对齐和填充

std::cout << std::format("{:<10} | {:>10} | {:^10}\n", "left", "right", "center");
std::cout << std::format("{:*<10} | {:#>10} | {:_^10}\n", "left", "right", "center");

(5)精度

对于浮点数,精度用于指定小数点后的位数;对于字符串,精度用于指定最大输出长度。

std::cout << std::format("{:.2f} | {:.3e} | {:.4s}\n", 3.1415926, 12345.6789, "abcdefgh");

(6)整数和浮点数的进位

整数和浮点数的进位可以使用 # 选项,它会在八进制和十六进制数字前添加 0 或 0x(0X)前缀,或在浮点数上强制输出小数点。

std::cout << std::format("{:#x} | {:#o} | {:#f}\n", 42, 42, 3.14);

(7)正负号

使用 + 选项可以强制输出正数的正号。

std::cout << std::format("{:+d} | {:+f}\n", 42, 3.14);

(8)自定义类型

要格式化自定义类型,需要为类型特化 std::formatter 模板,并提供 parse 和 format 成员函数,这使得 std::format 可以以一种统一的方式处理内置类型和自定义类型。

struct Point
{
    int x;
    int y;
};

template<>
struct std::formatter<Point>
{
    auto parse(format_parse_context& ctx)
    {
        return ctx.begin();
    }
    auto format(const Point& p, format_context& ctx)
    {
        return std::format_to(ctx.out(), "({:d}, {:d})", p.x, p.y);
    }
};

std::cout << std::format("{0}\n", Point{3, 4});

四、格式化数字

在使用 std::format 时,可能会需要更多地控制数字的格式。

1、控制数字的宽度、精度与填充

要控制数字的宽度,请在格式说明符中指定一个整数。此外还可以使用 0 指定填充字符,例如 {:05} 表示将数字格式化为至少 5 个字符宽,不足部分用 0 填充。

std::cout << std::format("{:5}", 42);  // "   42"
std::cout << std::format("{:05}", 42); // "00042"

对于浮点数,可以使用 . 后接一个整数来指定精度。

std::cout << std::format("{:.2f}", 3.14159); // "3.14"

2、显示或隐藏正负号

要显示数字的正负号,可以使用 + 标志。

std::cout << std::format("{:+}", 42);  // "+42"
std::cout << std::format("{:+}", -42); // "-42"

3、进制转换(十进制、十六进制、八进制等)

要将数字格式化为其他进制,可以使用以下格式说明符:

std::cout << std::format("{:x}", 42); // "2a"
std::cout << std::format("{:X}", 42); // "2A"
std::cout << std::format("{:o}", 42); // "52"
std::cout << std::format("{:b}", 42); // "101010"

4、浮点数格式化选项

对于浮点数,可以使用以下格式说明符:

可以看到不同浮点数格式化选项的使用方法。这使得 std::format 成为一个非常灵活和强大的工具,能够处理各种数字格式化需求。

五、格式化文本

在使用 std::format 时,除了处理数字之外,还需要考虑如何格式化文本。

1、控制字符串的宽度与填充

要设置字符串的最小宽度,请在格式说明符中指定一个整数。您还可以通过在整数前加上填充字符来设置填充字符。

std::cout << std::format("{:10}", "hello");   // "hello     "
std::cout << std::format("{:_<10}", "hello"); // "hello_____"

2、处理特殊字符与转义

要在格式化字符串中包含大括号 {},可以使用两个连续的大括号 {{ 或 }} 进行转义。

std::cout &lt;&lt; std::format("The set contains {{1, 2, 3}}"); // "The set contains {1, 2, 3}"

要在格式化字符串中包含反斜杠和其他特殊字符,请使用反斜杠进行转义,如 \n 表示换行符,\t 表示制表符等。

std::cout << std::format("Line 1\\nLine 2"); // "Line 1\nLine 2"

3、使用 std::format 处理多语言与 Unicode

std::format 支持 Unicode 字符和多语言文本处理。为了确保正确处理 Unicode 字符,请使用 u8 前缀表示 UTF-8 编码的字符串字面值。

std::cout << std::format(u8"你好,世界!"); // "你好,世界!"

在处理 Unicode 字符串时,确保使用正确的编码,否则可能会导致乱码或无法解释的字符。std::format 兼容 C++17 及更高版本的 std::u8string 类型,能够更轻松地处理多语言文本。

std::format 提供了处理字符串宽度、填充、特殊字符、转义以及多语言和 Unicode 字符的能力,这使得 std::format 成为一个非常适用于现代 C++ 应用程序的强大工具。

六、格式化日期与时间

std::format 可以与 C++ 的 chrono 库一起使用,方便地格式化日期和时间。

1、使用 chrono 库处理时间点与持续时间

chrono 库提供了表示时间点和持续时间的类,如 system_clock::time_point、steady_clock::time_point、duration 等。要使用 std::format 格式化这些类型,首先需要包含和头文件。

#include <iostream>
#include <chrono>
#include <format>

int main()
{
    auto now = std::chrono::system_clock::now();
    auto seconds_since_epoch = std::chrono::duration_cast<std::chrono::seconds>(now.time_since_epoch());
    std::cout << std::format("Seconds since epoch: {}\n", seconds_since_epoch.count());
}

2、时间格式化选项

要格式化日期和时间,可以使用扩展的格式说明符:

为了使用这些格式化选项,需要先将 chrono 中的 time_point 转换为 std::tm 结构,并包含头文件。

#include <iostream>
#include <chrono>
#include <format>
#include <iomanip>

int main()
{
    auto now = std::chrono::system_clock::now();
    auto now_t = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);
    auto now_tm = *std::localtime(&now_t);
    std::cout << std::format("{:%Y-%m-%d %H:%M:%S}\n", now_tm);
    return 0;
}

3、本地化日期与时间的显示

要显示本地化的日期和时间,可以使用 std::locale,使用 imbue() 函数将流与特定的语言环境关联起来。

#include <iostream>
#include <chrono>
#include <format>
#include <iomanip>
#include <locale>

int main()
{
    auto now = std::chrono::system_clock::now();
    auto now_t = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);
    auto now_tm = *std::localtime(&now_t);
    std::locale::global(std::locale(""));
    std::cout.imbue(std::locale());
    std::cout << std::format("{:%c}\n", now_tm);
    return 0;
}

注意:std::locale::global() 和 imbue() 函数的参数取决于平台和语言设置,也可以为特定的流或字符串指定语言环境。

通过以上方法,可以使用 std::format 来灵活地处理和格式化日期与时间。与 C++ 的 chrono 库结合使用,可以更方便地处理时间点和持续时间,同时允许定制时间格式化选项以适应不同的应用场景。同时,通过 std::locale 类,还可以实现日期和时间的本地化显示,以适应不同地区的用户。

#include <iostream>
#include <chrono>
#include <format>
#include <iomanip>
#include <locale>

int main()
{
    auto now = std::chrono::system_clock::now();
    auto now_t = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);
    auto now_tm = *std::localtime(&now_t);
    std::cout << std::format("{:%A, %B %d, %Y}\n", now_tm); // 显示星期、月份、日期和年份,例如:"Sunday, April 09, 2023"
    std::cout << std::format("{:%D}\n", now_tm); // 以MM/DD/YY格式显示日期,例如:"04/09/23"
    std::cout << std::format("{:%T}\n", now_tm); // 以HH:MM:SS格式显示时间,例如:"17:30:59"
    std::cout << std::format("{:%r}\n", now_tm); // 以12小时制显示时间,例如:"05:30:59 PM"
    return 0;
}

七、自定义类型的格式化

std::format 允许为自定义类型实现格式化支持,这为自定义类型提供了更好的输出显示。要实现自定义类型的格式化支持,需要特化 std::formatter。

1、实现自定义类型的格式化支持

要为自定义类型实现格式化支持,您需要为其特化 std::formatter,并重载 parse() 和 format() 成员函数。实现自定义类型格式化输出的步骤:

2、使用 fmt::formatter 特化

#include <iostream>
#include <format>
#include <string>

struct Person
{
    std::string name;
    int age;
};

template <>
struct std::formatter<Person>
{
    constexpr auto parse(format_parse_context& ctx)
    {
        auto it = ctx.begin();
        auto end = ctx.end();
        if (it != end && *it != '}')
            throw format_error("Invalid format");
        return it;
    }
    auto format(const Person& p, format_context& ctx)
    {
        return format_to(ctx.out(), "{} ({})", p.name, p.age);
    }
};

3、为自定义类型实现格式化输出

现在已经为 Person 类型实现了 std::formatter 特化,可以使用 std::format 函数轻松格式化 Person对象了:

int main()
{
    Person alice{"Alice", 30};
    std::cout << std::format("{}", alice) << std::endl; // Alice (30)
}

通过实现 std::formatte r特化并重载 parse() 和 format() 成员函数,可以为自定义类型提供灵活且易于使用的格式化支持,这可以大大提高 C++ 代码的可读性和维护性。

八、std::format的高级技巧与应用

1、格式字符串的动态生成

在某些情况下,可能需要根据运行时参数动态生成格式字符串,可以使用 std::string 或其他字符串处理方法来实现这一点。

根据用户输入设置小数点后的位数:

#include <iostream>
#include <format>

int main()
{
    double pi = 3.141592653589793;
    int precision = 2;
    std::string format_str = "{:." + std::to_string(precision) + "f}";
    std::cout << std::format(format_str, pi) << std::endl; // 3.14
    return 0;
}

2、使用 std::format 与其他标准库组件

std::format 可以与其他标准库组件(如容器、文件操作等)一起使用,以提供更高级的格式化功能。

(1)与 STL 容器完美结合

#include <iostream>
#include <format>
#include <vector>

int main()
{
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
    std::string result = std::format("Numbers: [");
    for (const auto& num : numbers)
    {
        result += std::format("{}, ", num);
    }
    result = result.substr(0, result.size() - 2) + "]";
    std::cout << result << std::endl; // Numbers: [1, 2, 3, 4, 5]
    return 0;
}

(2)文件操作一起使用

#include <iostream>
#include <format>
#include <fstream>

int main()
{
    std::ofstream output_file("output.txt");
    output_file << std::format("{:<10} {:>10}\n", "Name", "Score");
    output_file << std::format("{:<10} {:>10}\n", "Alice", 95);
    output_file << std::format("{:<10} {:>10}\n", "Bob", 80);
    output_file.close();
    std::cout << "Output saved to output.txt" << std::endl;
    return 0;
}

3、提高格式化性能的建议

虽然 std::format 在很多方面都比传统的格式化方法更高效,但在某些情况下,性能仍然是一个值得关注的问题。以下是一些建议,可以帮助提高格式化性能:

通过遵循以上建议,可以确保在使用 std::format 进行格式化操作时实现最佳性能。这将有助于提高 C++ 应用程序的整体性能和响应速度。

九、结论与展望

1、std::format在现代C++中的地位与作用

std::format 是 C++20 中引入的一个重要特性,它在现代 C++ 中扮演着重要的角色。与传统的 C++ 格式化方法相比,如 printf 和 iostreams,std::format 提供了更为强大、灵活和安全的格式化功能。它支持类型安全,易于扩展,支持自定义类型和多语言环境。std::format 有助于提高代码的可读性和维护性,使得 C++ 在格式化方面与其他现代编程语言保持同步。

2、与其他语言的格式化库的比较

std::format 的设计受到了其他编程语言中格式化库的启发,如 Python 的 str.format() 和 f-string,以及 Rust 的 std::fmt。与这些库相比,std::format 具有类似的功能和语法,同时充分利用了 C++ 的类型系统和编译时特性,以实现最佳性能。

3、C++标准化进程中格式化相关的未来发展

C++ 标准化进程将继续发展和完善格式化功能。例如,C++23 中可能会引入 std::format 的扩展,以提供更丰富的格式选项和本地化支持。此外,C++ 社区也将继续关注其他语言的发展,以确保 C++ 在格式化方面与时俱进。

总之,std::format 为 C++ 开发者提供了一种强大且易于使用的格式化工具。它不仅带来了更好的类型安全和扩展性,还为未来的 C++ 标准提供了一个坚实的基础。

到此这篇关于C++20中std::format的示例代码的文章就介绍到这了,更多相关C++20 std::format内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家!

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