一、前言

1、傳統(tǒng) C++ 格式化的問題與挑戰(zhàn)

• 可讀性差：使用 C++ 中的 printf 和 scanf 家族函數(shù)進(jìn)行格式化輸出和輸入時，它們的語法較為復(fù)雜，難以閱讀。在較大的代碼項目中，可讀性差會導(dǎo)致維護(hù)困難。
• 類型安全性差：printf 和 scanf 等函數(shù)無法在編譯期間檢查參數(shù)的類型是否正確，這可能導(dǎo)致運(yùn)行時錯誤，甚至引發(fā)程序崩潰。
• 不夠靈活：對于復(fù)雜的格式化需求，printf 和 scanf 等函數(shù)提供的功能有限。例如，它們不支持自定義類型的格式化，也不方便處理寬字符和多字節(jié)字符集。
• 性能開銷：由于傳統(tǒng)的格式化方法在運(yùn)行時需要處理格式字符串，它們可能導(dǎo)致額外的性能開銷。

2、C++20 引入 std::format 的背景

鑒于傳統(tǒng) C++ 格式化方法的局限性，C++20 標(biāo)準(zhǔn)中引入了 std::format 庫，目的是提供一種更現(xiàn)代、更安全、更靈活的格式化方法。引入 std::format 的主要目的：

• 提高可讀性：std::format 采用了一種更加簡潔、易懂的語法，使得格式化字符串更具可讀性。
• 增強(qiáng)類型安全：std::format 在編譯期間就可以檢查參數(shù)類型的正確性，從而降低運(yùn)行時錯誤的風(fēng)險。
• 擴(kuò)展功能：std::format 支持自定義類型的格式化，同時兼容寬字符和多字節(jié)字符集。這使得開發(fā)人員能夠滿足更為復(fù)雜的格式化需求。
• 性能優(yōu)化：std::format 設(shè)計時充分考慮了性能問題，相比傳統(tǒng)的格式化方法，它在許多場景下能夠提供更高的性能。

總之，std::format 作為 C++20 標(biāo)準(zhǔn)的一部分，旨在解決傳統(tǒng) C++ 格式化方法的問題，并為開發(fā)者提供一種更現(xiàn)代、更安全、更靈活的格式化工具。

二、std::format 簡介

1、std::format 的基本概念

std::format 是 C++20 標(biāo)準(zhǔn)庫中新增的一個格式化工具，它基于 Python 中的 str.format() 函數(shù)，提供了一種類型安全且易于閱讀的字符串格式化方法。std::format 的主要特點包括：

• 替換字段：std::format 使用花括號 {} 作為替換字段的占位符，這些替換字段在格式化時會被相應(yīng)的參數(shù)值替換。
• 格式規(guī)范：std::format 支持在替換字段內(nèi)部定義格式規(guī)范，例如指定輸出寬度、對齊方式和填充字符等。格式規(guī)范使用冒號:分隔，放在花括號內(nèi)。
• 編譯時類型檢查：std::format 在編譯期間檢查參數(shù)類型的正確性，以提高類型安全性。
• 自定義類型支持：std::format 以通過重載 formatter 特化來支持自定義類型的格式化。

2、std::format 與 printf、iostreams 的對比

下面我們將對比 std::format 與 printf 和 iostreams 之間的主要差異：

可讀性：std::format 使用花括號作為占位符，并允許在占位符內(nèi)定義格式規(guī)范。這使得格式化字符串更具可讀性，相較于 printf 和 iostreams 更為簡潔明了。

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

類型安全：std::format 在編譯期間檢查參數(shù)類型的正確性，而 printf 在運(yùn)行時檢查類型。iostreams 也具有類型安全性，但 std::format 更接近 printf 的語法，使得從 printf 遷移到std::format 更容易。

擴(kuò)展性：std::format 支持自定義類型的格式化，而 printf 僅支持內(nèi)置類型。iostreams 通過重載插入和提取操作符支持自定義類型，但 std::format 提供更為統(tǒng)一的擴(kuò)展方法。

性能：std::format 在設(shè)計時充分考慮了性能問題，因此在許多場景下性能優(yōu)于 iostreams。而與 printf 相比，std::format 的性能表現(xiàn)也非常出色。

綜上所述，std::format 在可讀性、類型安全性、擴(kuò)展性和性能方面都表現(xiàn)優(yōu)異，成為現(xiàn)代 C++ 編程中推薦的字符串格式化工具。

3、高效使用std::format的理由

• 統(tǒng)一的格式化語法：std::format 提供了一種統(tǒng)一的格式化語法，無論是內(nèi)置類型還是自定義類型，都可以使用相同的方法進(jìn)行格式化。這有助于簡化代碼并降低維護(hù)成本。
• 簡化代碼：由于 std::format 提供了更簡潔的語法，使用它可以減少代碼量，使代碼更易于理解。相較于 printf 和 iostreams，std::format 更適合處理復(fù)雜的字符串格式化需求。
• 避免運(yùn)行時錯誤：std::format 在編譯期間檢查參數(shù)類型，能夠減少因類型錯誤導(dǎo)致的運(yùn)行時錯誤。這有助于提高代碼的健壯性和穩(wěn)定性。
• 易于遷移：對于已經(jīng)習(xí)慣使用 printf 的開發(fā)者，std::format 提供了類似的語法和功能，可以輕松從 printf 遷移到 std::format。
• 便于調(diào)試和優(yōu)化：std::format 的性能表現(xiàn)優(yōu)異，且支持各種格式化選項，方便開發(fā)者進(jìn)行調(diào)試和性能優(yōu)化。

總之，std::format 作為 C++20 標(biāo)準(zhǔn)庫的一部分，為開發(fā)者提供了強(qiáng)大、易用的字符串格式化工具。使用 std::format 可以簡化代碼、提高可讀性、增強(qiáng)類型安全性，并有助于提高代碼的健壯性和性能。因此，在現(xiàn)代 C++ 編程中，高效使用 std::format 是非常重要的。

三、基本用法

1、格式字符串與占位符

std::format 使用格式字符串來定義輸出的格式。格式字符串中的占位符用花括號 {} 表示，可以包含以下幾個部分：

• 參數(shù)索引：位于花括號內(nèi)的數(shù)字，用于指定要替換的參數(shù)的位置。例如，{0} 表示第一個參數(shù)，{1} 表示第二個參數(shù)，依此類推。
• 格式規(guī)范：位于冒號:之后的部分，用于指定參數(shù)的格式選項。例如，{:d} 表示將參數(shù)格式化為十進(jìn)制整數(shù)。
• 文本：花括號之間可以包含任意文本，這些文本將原樣輸出。例如，{0} is {1} 中的 is 會原樣輸出。

#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、類型規(guī)格與格式選項

std::format 支持各種類型規(guī)格與格式選項，以便對輸出進(jìn)行詳細(xì)的控制。以下是一些常見的類型規(guī)格與格式選項

（1）整數(shù)

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

（2）浮點數(shù)

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）寬度、對齊和填充

• <：左對齊
• >：右對齊
• ^：居中對齊
• 數(shù)字：指定輸出寬度
• 字符：指定填充字符

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

對于浮點數(shù)，精度用于指定小數(shù)點后的位數(shù)；對于字符串，精度用于指定最大輸出長度。

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

（6）整數(shù)和浮點數(shù)的進(jìn)位

整數(shù)和浮點數(shù)的進(jìn)位可以使用 # 選項，它會在八進(jìn)制和十六進(jìn)制數(shù)字前添加 0 或 0x（0X）前綴，或在浮點數(shù)上強(qiáng)制輸出小數(shù)點。

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

（7）正負(fù)號

使用 + 選項可以強(qiáng)制輸出正數(shù)的正號。

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

（8）自定義類型

要格式化自定義類型，需要為類型特化 std::formatter 模板，并提供 parse 和 format 成員函數(shù)，這使得 std::format 可以以一種統(tǒng)一的方式處理內(nèi)置類型和自定義類型。

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、格式化數(shù)字

在使用 std::format 時，可能會需要更多地控制數(shù)字的格式。

1、控制數(shù)字的寬度、精度與填充

要控制數(shù)字的寬度，請在格式說明符中指定一個整數(shù)。此外還可以使用 0 指定填充字符，例如 {:05} 表示將數(shù)字格式化為至少 5 個字符寬，不足部分用 0 填充。

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

對于浮點數(shù)，可以使用 . 后接一個整數(shù)來指定精度。

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

2、顯示或隱藏正負(fù)號

要顯示數(shù)字的正負(fù)號，可以使用 + 標(biāo)志。

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

3、進(jìn)制轉(zhuǎn)換（十進(jìn)制、十六進(jìn)制、八進(jìn)制等）

要將數(shù)字格式化為其他進(jìn)制，可以使用以下格式說明符：

• d：十進(jìn)制（默認(rèn)）
• x：十六進(jìn)制（小寫字母）
• X：十六進(jìn)制（大寫字母）
• o：八進(jìn)制
• b：二進(jìn)制（小寫字母）
• B：二進(jìn)制（大寫字母）

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、浮點數(shù)格式化選項

對于浮點數(shù)，可以使用以下格式說明符：

• f：定點表示（默認(rèn)）
• F：定點表示（無窮大和非數(shù)字為大寫表示）
• e：科學(xué)計數(shù)法（小寫字母）
• E：科學(xué)計數(shù)法（大寫字母）
• g：通用格式，根據(jù)值的大小和指定精度自動選擇定點表示或科學(xué)計數(shù)法（小寫字母）
• G：通用格式，根據(jù)值的大小和指定精度自動選擇定點表示或科學(xué)計數(shù)法（大寫字母）

可以看到不同浮點數(shù)格式化選項的使用方法。這使得 std::format 成為一個非常靈活和強(qiáng)大的工具，能夠處理各種數(shù)字格式化需求。

五、格式化文本

在使用 std::format 時，除了處理數(shù)字之外，還需要考慮如何格式化文本。

1、控制字符串的寬度與填充

要設(shè)置字符串的最小寬度，請在格式說明符中指定一個整數(shù)。您還可以通過在整數(shù)前加上填充字符來設(shè)置填充字符。

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

2、處理特殊字符與轉(zhuǎn)義

要在格式化字符串中包含大括號 {}，可以使用兩個連續(xù)的大括號 {{ 或 }} 進(jìn)行轉(zhuǎn)義。

std::cout << 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，請使用反斜杠進(jìn)行轉(zhuǎn)義，如 \n 表示換行符，\t 表示制表符等。

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

3、使用 std::format 處理多語言與 Unicode

std::format 支持 Unicode 字符和多語言文本處理。為了確保正確處理 Unicode 字符，請使用 u8 前綴表示 UTF-8 編碼的字符串字面值。

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

在處理 Unicode 字符串時，確保使用正確的編碼，否則可能會導(dǎo)致亂碼或無法解釋的字符。std::format 兼容 C++17 及更高版本的 std::u8string 類型，能夠更輕松地處理多語言文本。

std::format 提供了處理字符串寬度、填充、特殊字符、轉(zhuǎn)義以及多語言和 Unicode 字符的能力，這使得 std::format 成為一個非常適用于現(xiàn)代 C++ 應(yīng)用程序的強(qiáng)大工具。

六、格式化日期與時間

std::format 可以與 C++ 的 chrono 庫一起使用，方便地格式化日期和時間。

1、使用 chrono 庫處理時間點與持續(xù)時間

chrono 庫提供了表示時間點和持續(xù)時間的類，如 system_clock::time_point、steady_clock::time_point、duration 等。要使用 std::format 格式化這些類型，首先需要包含和頭文件。

#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、時間格式化選項

要格式化日期和時間，可以使用擴(kuò)展的格式說明符：

• %Y：四位年份
• %m：月份（01-12）
• %d：月份中的第幾天（01-31）
• %H：小時（00-23）
• %M：分鐘（00-59）
• %S：秒（00-60，因閏秒可能為60）

為了使用這些格式化選項，需要先將 chrono 中的 time_point 轉(zhuǎn)換為 std::tm 結(jié)構(gòu)，并包含頭文件。

#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、本地化日期與時間的顯示

要顯示本地化的日期和時間，可以使用 std::locale，使用 imbue() 函數(shù)將流與特定的語言環(huán)境關(guān)聯(lián)起來。

#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() 函數(shù)的參數(shù)取決于平臺和語言設(shè)置，也可以為特定的流或字符串指定語言環(huán)境。

通過以上方法，可以使用 std::format 來靈活地處理和格式化日期與時間。與 C++ 的 chrono 庫結(jié)合使用，可以更方便地處理時間點和持續(xù)時間，同時允許定制時間格式化選項以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。同時，通過 std::locale 類，還可以實現(xiàn)日期和時間的本地化顯示，以適應(yīng)不同地區(qū)的用戶。

#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); // 顯示星期、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格式顯示日期，例如："04/09/23"
    std::cout << std::format("{:%T}\n", now_tm); // 以HH:MM:SS格式顯示時間，例如："17:30:59"
    std::cout << std::format("{:%r}\n", now_tm); // 以12小時制顯示時間，例如："05:30:59 PM"
    return 0;
}

七、自定義類型的格式化

std::format 允許為自定義類型實現(xiàn)格式化支持，這為自定義類型提供了更好的輸出顯示。要實現(xiàn)自定義類型的格式化支持，需要特化 std::formatter。

1、實現(xiàn)自定義類型的格式化支持

要為自定義類型實現(xiàn)格式化支持，您需要為其特化 std::formatter，并重載 parse() 和 format() 成員函數(shù)。實現(xiàn)自定義類型格式化輸出的步驟：

• 包含頭文件。
• 為自定義類型特化 std::formatter。
• 在特化的 std::formatter 中，重載 parse() 和 format() 成員函數(shù)。

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、為自定義類型實現(xiàn)格式化輸出

現(xiàn)在已經(jīng)為 Person 類型實現(xiàn)了 std::formatter 特化，可以使用 std::format 函數(shù)輕松格式化 Person對象了：

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

通過實現(xiàn) std::formatte r特化并重載 parse() 和 format() 成員函數(shù)，可以為自定義類型提供靈活且易于使用的格式化支持，這可以大大提高 C++ 代碼的可讀性和維護(hù)性。

八、std::format的高級技巧與應(yīng)用

1、格式字符串的動態(tài)生成

在某些情況下，可能需要根據(jù)運(yùn)行時參數(shù)動態(tài)生成格式字符串，可以使用 std::string 或其他字符串處理方法來實現(xiàn)這一點。

根據(jù)用戶輸入設(shè)置小數(shù)點后的位數(shù)：

#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 與其他標(biāo)準(zhǔn)庫組件

std::format 可以與其他標(biāo)準(zhǔn)庫組件（如容器、文件操作等）一起使用，以提供更高級的格式化功能。

（1）與 STL 容器完美結(jié)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議

雖然 std::format 在很多方面都比傳統(tǒng)的格式化方法更高效，但在某些情況下，性能仍然是一個值得關(guān)注的問題。以下是一些建議，可以幫助提高格式化性能：

• 避免頻繁構(gòu)建和銷毀格式化字符串：在循環(huán)或高頻調(diào)用的函數(shù)中避免重復(fù)構(gòu)建格式化字符串?？紤]將格式化字符串預(yù)先計算并存儲為常量或靜態(tài)變量。
• 減少不必要的字符串連接：在可能的情況下，盡量避免使用 + 運(yùn)算符連接字符串?？梢允褂?std::format 直接構(gòu)建最終字符串，而不是分段拼接。例如，可以將多個 std::format 調(diào)用替換為一個帶有多個占位符的調(diào)用。
• 使用預(yù)分配的內(nèi)存：為頻繁使用的字符串分配足夠的預(yù)先分配的內(nèi)存，以減少內(nèi)存分配和重新分配的開銷。例如，您可以使用std::string::reserve() 函數(shù)為字符串預(yù)留足夠的空間。
• 避免不必要的類型轉(zhuǎn)換：在可能的情況下，盡量避免在格式化之前將數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為其他類型。例如，不要在格式化之前將 int 轉(zhuǎn)換為 std::string，而是直接使用 int 類型的格式規(guī)范。
• 選擇合適的容器和算法：根據(jù)具體應(yīng)用場景選擇合適的容器和算法，以實現(xiàn)最佳性能。例如，對于需要快速插入和刪除元素的場景，使用 std::list 或 std::deque 而不是 std::vector。

通過遵循以上建議，可以確保在使用 std::format 進(jìn)行格式化操作時實現(xiàn)最佳性能。這將有助于提高 C++ 應(yīng)用程序的整體性能和響應(yīng)速度。

九、結(jié)論與展望

1、std::format在現(xiàn)代C++中的地位與作用

std::format 是 C++20 中引入的一個重要特性，它在現(xiàn)代 C++ 中扮演著重要的角色。與傳統(tǒng)的 C++ 格式化方法相比，如 printf 和 iostreams，std::format 提供了更為強(qiáng)大、靈活和安全的格式化功能。它支持類型安全，易于擴(kuò)展，支持自定義類型和多語言環(huán)境。std::format 有助于提高代碼的可讀性和維護(hù)性，使得 C++ 在格式化方面與其他現(xiàn)代編程語言保持同步。

2、與其他語言的格式化庫的比較

std::format 的設(shè)計受到了其他編程語言中格式化庫的啟發(fā)，如 Python 的 str.format() 和 f-string，以及 Rust 的 std::fmt。與這些庫相比，std::format 具有類似的功能和語法，同時充分利用了 C++ 的類型系統(tǒng)和編譯時特性，以實現(xiàn)最佳性能。

3、C++標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中格式化相關(guān)的未來發(fā)展

C++ 標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程將繼續(xù)發(fā)展和完善格式化功能。例如，C++23 中可能會引入 std::format 的擴(kuò)展，以提供更豐富的格式選項和本地化支持。此外，C++ 社區(qū)也將繼續(xù)關(guān)注其他語言的發(fā)展，以確保 C++ 在格式化方面與時俱進(jìn)。

總之，std::format 為 C++ 開發(fā)者提供了一種強(qiáng)大且易于使用的格式化工具。它不僅帶來了更好的類型安全和擴(kuò)展性，還為未來的 C++ 標(biāo)準(zhǔn)提供了一個堅實的基礎(chǔ)。

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