C++ 20格式库

介绍

在C++20之前，当我们需要格式化输出时，通常会使用std::cout、printf或者std::stringstream等方式。这些方法各有优缺点：printf语法简洁但类型不安全，std::cout类型安全但语法冗长，而std::stringstream则更加灵活但使用起来较为复杂。

C++20引入了全新的格式库<format>，它结合了上述所有方法的优点，提供了一种现代化、类型安全且易于使用的文本格式化方式。这个库受到了Python中str.format()方法的启发，为C++程序员提供了更加简洁和强大的字符串格式化能力。

基本用法

引入头文件

要使用格式库，首先需要包含相应的头文件：

cpp

#include <format>

简单格式化

最基本的用法是使用std::format函数进行字符串格式化：

cpp

#include <format>
#include <iostream>

int main() {
    std::string name = "C++";
    int version = 20;
    
    std::string message = std::format("欢迎学习{}{}!", name, version);
    std::cout << message << std::endl;
    
    return 0;
}

输出结果：

欢迎学习C++20!

备注

在这个例子中，{}是占位符，会按照参数的顺序被替换。

带索引的格式化

你可以通过在花括号中指定索引来控制参数的使用顺序：

cpp

#include <format>
#include <iostream>

int main() {
    std::string formatted = std::format("{1} 比 {0} 大", 5, 10);
    std::cout << formatted << std::endl;
    
    // 可以重复使用同一个参数
    std::string repeated = std::format("{0}，{0}！{1}倍快乐！", "你好", 2);
    std::cout << repeated << std::endl;
    
    return 0;
}

输出结果：

10 比 5 大
你好，你好！2倍快乐！

高级格式化选项

格式说明符

格式库支持各种格式说明符，用于控制数值的显示方式：

cpp

#include <format>
#include <iostream>

int main() {
    // 设置小数点位数
    double pi = 3.14159265358979;
    std::cout << std::format("π值保留两位小数：{:.2f}", pi) << std::endl;
    
    // 设置字段宽度和对齐方式
    std::cout << std::format("靠左对齐：{:<10}|", "左边") << std::endl;
    std::cout << std::format("居中对齐：{:^10}|", "中间") << std::endl;
    std::cout << std::format("靠右对齐：{:>10}|", "右边") << std::endl;
    
    // 使用填充字符
    std::cout << std::format("使用星号填充：{:*^10}|", "星") << std::endl;
    
    // 整数格式
    int num = 42;
    std::cout << std::format("十进制：{:d}", num) << std::endl;
    std::cout << std::format("十六进制：0x{:x}", num) << std::endl;
    std::cout << std::format("八进制：0{:o}", num) << std::endl;
    std::cout << std::format("二进制：{:b}", num) << std::endl;
    
    return 0;
}

输出结果：

π值保留两位小数：3.14
靠左对齐：左边      |
居中对齐：   中间   |
靠右对齐：      右边|
使用星号填充：***星***|
十进制：42
十六进制：0x2a
八进制：052
二进制：101010

整数表示方式

格式库支持多种整数表示方式：

格式	描述
b	二进制
d	十进制（默认）
o	八进制
x	小写十六进制
X	大写十六进制

cpp

#include <format>
#include <iostream>

int main() {
    int value = 255;
    
    std::cout << std::format("十进制: {0:d}", value) << std::endl;
    std::cout << std::format("十六进制(小写): {0:x}", value) << std::endl;
    std::cout << std::format("十六进制(大写): {0:X}", value) << std::endl;
    std::cout << std::format("带前缀的十六进制: {0:#x}", value) << std::endl;
    std::cout << std::format("二进制: {0:b}", value) << std::endl;
    std::cout << std::format("八进制: {0:o}", value) << std::endl;
    
    return 0;
}

输出结果：

十进制: 255
十六进制(小写): ff
十六进制(大写): FF
带前缀的十六进制: 0xff
二进制: 11111111
八进制: 377

使用std::print（C++23）

备注

虽然本文主要讨论C++20格式库，但值得一提的是，C++23引入了std::print函数，它结合了std::format和输出操作，使代码更加简洁。

cpp

#include <print>  // C++23

int main() {
    int answer = 42;
    std::print("生命、宇宙以及一切的答案是：{}", answer);
    
    return 0;
}

与传统方法的比较

让我们比较一下不同的字符串格式化方法：

cpp

#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <sstream>
#include <format>
#include <cstdio>

int main() {
    int age = 25;
    double height = 1.75;
    std::string name = "张三";
    
    // 使用printf
    printf("姓名: %s, 年龄: %d, 身高: %.2f米\n", name.c_str(), age, height);
    
    // 使用cout
    std::cout << "姓名: " << name << ", 年龄: " << age 
              << ", 身高: " << std::fixed << std::setprecision(2) << height << "米" << std::endl;
    
    // 使用stringstream
    std::stringstream ss;
    ss << "姓名: " << name << ", 年龄: " << age 
       << ", 身高: " << std::fixed << std::setprecision(2) << height << "米";
    std::string output = ss.str();
    std::cout << output << std::endl;
    
    // 使用format
    std::string formatted = std::format("姓名: {}, 年龄: {}, 身高: {:.2f}米", name, age, height);
    std::cout << formatted << std::endl;
    
    return 0;
}

输出结果（所有方法都产生相同的结果）：

姓名: 张三, 年龄: 25, 身高: 1.75米
姓名: 张三, 年龄: 25, 身高: 1.75米
姓名: 张三, 年龄: 25, 身高: 1.75米
姓名: 张三, 年龄: 25, 身高: 1.75米

从上面的比较可以看出，std::format方法最为简洁和直观。

自定义格式化

C++20格式库支持为自定义类型定义格式化规则：

cpp

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

// 自定义结构体
struct Point {
    int x;
    int y;
};

// 为Point类型实现formatter特化
template<>
struct std::formatter<Point> {
    // 解析格式说明符
    constexpr auto parse(std::format_parse_context& ctx) {
        return ctx.begin();
    }
    
    // 格式化
    auto format(const Point& p, std::format_context& ctx) {
        return std::format_to(ctx.out(), "({}, {})", p.x, p.y);
    }
};

int main() {
    Point p{10, 20};
    std::cout << std::format("点的坐标是: {}", p) << std::endl;
    
    return 0;
}

输出结果：

点的坐标是: (10, 20)

实际应用案例

日志记录系统

格式库非常适合用于构建简单而强大的日志系统：

cpp

#include <format>
#include <iostream>
#include <chrono>
#include <string>
#include <fstream>

enum class LogLevel {
    Debug,
    Info,
    Warning,
    Error
};

class Logger {
private:
    std::ofstream logFile;
    
public:
    Logger(const std::string& filename) {
        logFile.open(filename, std::ios::app);
    }
    
    ~Logger() {
        if (logFile.is_open()) {
            logFile.close();
        }
    }
    
    template<typename... Args>
    void log(LogLevel level, std::string_view formatStr, Args&&... args) {
        auto now = std::chrono::system_clock::now();
        auto time = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);
        std::string levelStr;
        
        switch (level) {
            case LogLevel::Debug:   levelStr = "DEBUG"; break;
            case LogLevel::Info:    levelStr = "INFO"; break;
            case LogLevel::Warning: levelStr = "WARNING"; break;
            case LogLevel::Error:   levelStr = "ERROR"; break;
        }
        
        std::string timeStr = std::ctime(&time);
        timeStr.pop_back();  // 移除换行符
        
        std::string message = std::format(formatStr, std::forward<Args>(args)...);
        std::string logEntry = std::format("[{}] {} - {}", timeStr, levelStr, message);
        
        if (logFile.is_open()) {
            logFile << logEntry << std::endl;
        }
        std::cout << logEntry << std::endl;
    }
};

int main() {
    Logger logger("application.log");
    
    logger.log(LogLevel::Info, "程序启动");
    logger.log(LogLevel::Debug, "当前温度: {:.1f}°C", 23.5);
    logger.log(LogLevel::Warning, "硬盘空间不足，剩余: {}GB", 10);
    logger.log(LogLevel::Error, "文件 {} 无法打开", "config.ini");
    
    return 0;
}

数据可视化

简单的字符图表生成器：

cpp

#include <format>
#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <algorithm>

void printBarChart(const std::vector<double>& data, const std::vector<std::string>& labels) {
    double maxValue = *std::max_element(data.begin(), data.end());
    int maxBarLength = 50;  // 最大条形长度
    
    std::cout << "数据可视化条形图:" << std::endl;
    std::cout << "==================" << std::endl;
    
    for (size_t i = 0; i < data.size(); ++i) {
        int barLength = static_cast<int>(data[i] / maxValue * maxBarLength);
        std::string bar(barLength, '#');
        
        std::cout << std::format("{:<10} |{:<50}| {:.1f}", labels[i], bar, data[i]) << std::endl;
    }
}

int main() {
    std::vector<double> sales = {254.5, 310.2, 290.8, 380.1, 201.5};
    std::vector<std::string> months = {"一月", "二月", "三月", "四月", "五月"};
    
    printBarChart(sales, months);
    
    return 0;
}

输出可能类似于：

数据可视化条形图:
==================
一月       |###################################                   | 254.5
二月       |#########################################             | 310.2
三月       |########################################              | 290.8
四月       |##################################################    | 380.1
五月       |###########################                           | 201.5

总结

C++20格式库为我们提供了一种现代化的字符串格式化解决方案，具有以下优势：

1. 类型安全 - 与printf不同，格式错误会在编译时被捕获
2. 语法简洁 - 比iostream和stringstream更清晰易读
3. 灵活性强 - 支持多种格式选项和自定义类型格式化
4. 性能更好 - 在许多情况下比传统方法更高效

随着C++23引入了std::print，格式化和输出变得更加简洁方便。学习和掌握格式库将大大提高您的C++代码质量和开发效率。

练习

1. 修改上面的日志系统，添加彩色输出功能（控制台输出时使用ANSI转义序列）。
2. 实现一个函数，使用格式库对表格数据进行漂亮的格式化输出。
3. 为一个复数类（Complex）实现自定义格式器，支持直角坐标和极坐标两种输出格式。
4. 使用格式库实现一个简单的进度条展示功能。

延伸阅读

• C++标准: std::format
• P0645R10: Text Formatting - 格式库提案
• Victor Zverovich's Blog - 格式库作者的博客

掌握C++20格式库将使您的代码更加现代化和易于维护，特别是在处理复杂的文本格式化需求时。