C++20 格式库

C++20格式库（std::format）

概述

C++20引入的格式库（定义在头文件<format>中）提供了一种类型安全、可扩展的文本格式化方法，替代了传统的C风格printf和C++流（iostream）机制。其核心组件是std::format函数，采用类似Python的格式化语法，支持编译期格式字符串检查、自定义类型扩展和本地化处理。

主要特性：

• 类型安全：编译时检查格式说明符与参数类型的匹配
• 可读性：使用{}作为占位符的直观语法
• 性能优化：部分格式化操作可在编译期完成
• 扩展性：支持用户自定义类型的格式化

基本用法

简单格式化

#include <format>
#include <iostream>

int main() {
    int apples = 5;
    double price = 3.99;
    std::string message = std::format("I bought {} apples at ${:.2f} each", apples, price);
    std::cout << message;  // 输出：I bought 5 apples at $3.99 each
}

格式说明符

格式说明符语法：{[参数索引]:[格式规范]}

常用格式说明符

说明符	作用	示例	输出
:	开始格式规范	{:.2f}	保留2位小数
d	十进制整数	{:d}	42
x	十六进制	{:x}	2a
s	字符串	{:s}	"text"

高级特性

编译时格式检查

C++20支持编译时格式字符串验证（需要consteval）：

constexpr auto fmt_string = "Value: {}";  // 编译时检查
static_assert(std::formattable<int, char>);  // 验证类型是否可格式化

自定义类型格式化

通过特化std::formatter实现：

#include <format>

struct Point { double x, y; };

template<>
struct std::formatter<Point> {
    constexpr auto parse(std::format_parse_context& ctx) {
        return ctx.begin();
    }

    auto format(const Point& p, std::format_context& ctx) const {
        return std::format_to(ctx.out(), "({:.1f}, {:.1f})", p.x, p.y);
    }
};

// 使用示例
Point p{1.5, 2.5};
std::string s = std::format("Point: {}", p);  // "Point: (1.5, 2.5)"

本地化支持

通过std::format的本地化版本：

#include <format>
#include <locale>

double value = 1234.56;
auto s = std::format(std::locale("de_DE"), "{:L}", value);  // 德式数字格式 "1.234,56"

实际应用案例

日志系统

void log_error(std::string_view file, int line, std::string_view msg) {
    std::cerr << std::format("[ERROR] {}:{} - {}\n", file, line, msg);
}

// 使用
log_error("main.cpp", 42, "Invalid input");  // 输出：[ERROR] main.cpp:42 - Invalid input

数据报表生成

struct Product {
    std::string name;
    double price;
    int stock;
};

std::string generate_report(const std::vector<Product>& products) {
    std::string report;
    for (const auto& p : products) {
        report += std::format("| {:<20} | ${:>7.2f} | {:>4} |\n", 
                            p.name, p.price, p.stock);
    }
    return report;
}

/* 输出示例：
| Apple               | $   1.99 |   50 |
| Banana              | $   0.99 |  120 |
*/

性能考虑

C++20格式库相比传统方法有显著性能优势：

barChart title 格式化方法性能比较（纳秒/操作） x-axis 方法 y-axis 时间 bar "printf" : 120 bar "iostream" : 180 bar "std::format" : 90

数学公式支持

格式库可与数学公式结合使用： 解析失败 (语法错误): {\displaystyle \text{result} = \text{std::format}("\text{Area}: {:.2f}", \pi r^2) }

限制与注意事项

1. 需要C++20完全支持（部分编译器可能需最新版本） 2. 格式字符串必须是常量表达式（MSVC除外） 3. 自定义格式化器需要仔细处理边界情况

总结

C++20格式库提供了现代化、类型安全的文本格式化解决方案，兼具可读性和高性能。对于新项目，推荐优先使用std::format替代传统格式化方法，特别是在需要国际化和类型安全的场景中。