9 标准库

9.1 引言

没有任何一款具有实用价值的软件是用“裸语言”写成的。人们通常会先开发一系列库，作为后续编程工作的基础。仅使用“裸语言”编写程序，注定是极其繁琐且乏味的，而善加利用事先编写好的库，编程工作会变得简单而高效。

C++标准库提供了众多工具和方法，它们基于一系列自定义的数据类型，如：string、ostream、variant、vector、map、path、unique_ptr、thread、regex、system_clock、time_zone、complex，等等。

在全面掌握标准库的所有细节之前，最好能对其中最常用的工具有一个基本了解。

在ISO C++的标准文本中，标准库规范占了将近三分之二的篇幅。在解决实际问题的过程中，应尽可能使用标准库的工具和方法，而不是自己定义功能相近的替代品。在标准库的设计与实现中，凝聚了大量多年积累并经过充分检验的思想。未来，还会有更多的人力物力，被投入到标准库的维护和扩展中。

标准库的工具和方法，固然是任何一个C++实现的必备部分。此外，大多数C++实现还提供了诸如图形用户界面（GUI）、网络编程、数据库访问等扩展功能。类似地，大多数基于C++语言的应用开发环境，还附带一套基础库，以满足企业级和工业级应用程序开发的需要。除此以外，还有成千上万的库，用于特定的专业领域，如流媒体、科学计算、机器视觉、人工智能等。当然，这些标准库以外库、系统和环境并不是这里关注的重点。这里讨论的内容，仅限C++标准定义的自包含描述，并确保其可移植性。在此基础上，进一步探索在大多数系统上可用的工具和方法，也是值得鼓励的。

9.2 标准库组件

标准库提供的工具和方法包括：

工具和方法	说明
运行时支持	动态内存管理、异常、运行时类型检查等
C标准库	略有改动，以规避与类型系统的冲突
字符串	国际字符集、本地化、子字符串只读视图等
正则表达式	基于正则表达式的文本匹配
I/O流	输入输出和格式化控制
文件	以可移植的方式处理与具体文件系统无关的文件操作
容器和算法	vector、map等容器和sort、find等算法，亦称标准模板库（STL）
范围	视图、发生器、管道等
概念	与基本数据类型和范围有关的各种概念
数值计算	标准数学函数、向量计算、数学常数、随机数、复数
并发	thread和锁机制
协程	同步协程和异步协程
并行	一部分数学算法和大多数泛型算法的并行版本
泛型工具	模板元编程工具（如类型特性等）、泛型程序设计工具（如pair等）、通用程序设计工具（如variant、optional等）
智能指针	unique_ptr、shared_ptr等
特殊容器	array、bitset、tuple等
绝对时间与时间段	time_point、system_clock等
日历	month、time_zone等
单位后缀	$ms$ $i$ ”等
元素序列	视图、string_view、span等

什么样的工具和方法才有资格入选标准库？

对几乎所有C++程序员（无论是初学者还是专家）都有用
在不过分增加额外开销的前提下，尽可能地保持通用性
易学易用（相对于编程任务的内在复杂性而言）

从本质上讲，C++标准库提供了最常用的基本数据结构，及针对这些数据结构的基础算法。

9.3 标准库的组织

标准库的所有设施都被置于std命名空间中。用户可以导入模块或包含头文件的方式，引用其中的组件。

9.3.1 命名空间

标准库中的每个工具和方法都有对应的头文件，例如：


xxxxxxxxxx
2
1
#include <string>
2
#include <list>

包含这两个头文件后，在程序中就可以使用string和list了。

标准库组件位于std命名空间中。使用其中的工具和方法，需要加上“std::”前缀，例如：


xxxxxxxxxx
5
1
std::string sheep{ "Four legs Good; two legs Baaad!" };
2
std::list<std::string> slogans{
3
    "War is Peace",
4
    "Freedom is Slavery",
5
    "Ignorance is Strength" };

如果觉得每次引用标准库组件都要使用“std::”前缀过于繁琐，也可以借助using指令，使位于std命名空间中的名字在当前作用域中可见，这时“std::”前缀可以省略不写。例如：


xxxxxxxxxx
5
1
#include <string>    // 使标准库中的string功能可用
2
using namespace std; // 使std命名空间中的名字在不加“std::”的情况下可用
3
...
4
string s{ "C++ is a general-purpose programming language" }; // 这里的string就是std::string
5
...

一般而言，将命名空间中的所有名字，都导入全局作用域，并不是一个好的编程习惯。但如果只使用std一个命名空间中的名字，这样做也无妨。

std命名空间中还有几个子命名空间：

std命名空间的子命名空间	说明
std::chrono	时间库
std::literals::chrono_literals	时间后缀：y表示年、d表示日、h表示时、min表示分、s表示秒、ms表示毫秒、us表示微秒、ns表示纳秒
std::literals::complex_literals	虚数后缀：i表示双精度虚数、if表示单精度虚数、il表示long long类型的虚数
std::literals::string_literals	字符串后缀：s表示string类型的字符串
std::literals::string_view_literals	字符串视图后缀：sv表示string_view类型的字符串视图
std::numbers	数学常数
std::pmr	多态内存资源

要使用子命名空间中的名字，必须将它们引入当前作用域。例如：


xxxxxxxxxx
1
1
auto c = 1.2 + 3.4i; // 编译错误，后缀i没有定义

正确的写法是：


xxxxxxxxxx
3
1
using namespace std::literals::complex_literals;
2
...
3
auto c = 1.2 + 3.4i; // c是complex<double>类型的对象

对于子命名空间中应该包含的内容，目前还缺乏统一连贯的理论指导。因此，为了避免歧义，使用后缀时，最好将相应的命名空间引入当前作用域。一个库如果定义了自用的后缀，通常需要将其定义在独立的命名空间中。

9.3.2 std::ranges命名空间

标准库提供的算法，如sort、copy等，有两个版本：

传统的接受双迭代器的版本，如：sort(begin(v), v.end())
较新的接受一个范围的版本，如：sort(v)

理想情况下，这两个版本应该基于参数表的差别，借助重载加以区分，但实际上却不可行。例如：


xxxxxxxxxx
5
1
using namespace std;
2
using namespace std::ranges;
3
...
4
sort(begin(v), v.end()); // 编译错误，歧义
5
sort(v); // 编译错误，歧义

标准规定必须在作用域内显式指明范围版本的命名空间。例如：


xxxxxxxxxx
6
1
using namespace std;
2
...
3
sort(begin(v), v.end()); // 迭代器版本
4
ranges::sort(v); // 范围版本
5
using ranges::sort;
6
sort(v); // 范围版本

9.3.3 模块

截至目前为止，还没有任何标准库模块，主要是因为C++标准化委员会缺乏时间，C++23可能会弥补这个遗漏。Microsoft Visual C++ 2022提供了基于C++23预览版的标准库模块——std。

9.3.4 头文件

下表罗列了部分标准库头文件，其中的声明都位于std命名空间中：

头文件	主要内容
<algorithm>	copy、find、sort
<array>	array
<chrono>	duration、time_point、month、time_zone
<cmath>	sqrt、pow
<complex>	complex、sqrt、pow
<concepts>	floating_point、copyable、predicate、invocable
<filesystem>	path
<format>	format
<fstream>	fstream、ifstream、ofstream
<functional>	function、greater_equal、hash、range_value_t
<future>	future、promise
<ios>	hex、dec、scientific、fixed、defaultfloat
<iostream>	istream、ostream、cin、cout
<map>	map、multimap
<memory>	unique_ptr、shared_ptr、allocator
<random>	default_random_engine、normal_distribution
<ranges>	sized_range、subrange、take、split、iterator_t
<regex>	regex、smatch
<string>	string、basic_string
<string_view>	string_view
<set>	set、multiset
<sstream>	istringstream、ostringstream
<stdexcept>	length_error、out_of_range、runtime_error
<tuple>	tuple、get、tuple_size
<thread>	thread
<unordered_map>	unordered_map、unordered_multimap
<utility>	move、swap、pair
<variant>	variant
<vector>	vector

此表远未囊括所有的标准库头文件。

C++标准库还提供了源自C标准库的头文件，如<stdlib.h>等。这类头文件都有一个对应的类似<cstdlib>的版本，其中的声明位于std命名空间中。

这些头文件反映了标准库的开发历程，因而并不象多数人所期待的那么富有逻辑，也不太易于记忆。这也是为什么需要一个std模块的原因。

9.4 建议

永远不要重新发明轮子，尽可能使用现成的库才是明智之选
只要条件允许，优先选择标准库，而不是其它第三方库
不要迷信标准库在任何情况下都是理想之选
如果不使用模块，那就必须通过“#include”包含所需要的头文件
标准库中的所有工具和方法，都被定义在名为“std”的命名空间中
使用std::ranges命名空间中的名字时，必须显式指明该命名空间，不要妄图借助“using namespace”省略之
只要有可能，尽量使用“import”导入模块，而不是通过“#include”包含头文件