C++ `std::format`：C++20 安全、高效的文本格式化

好的，各位朋友，欢迎来到“C++ std::format：C++20 安全、高效的文本格式化”讲座现场！今天咱们就来好好聊聊C++20引入的这个神器——std::format。

开场白：告别printf，拥抱现代C++

相信大家都或多或少用过C语言时代的printf函数，它确实很强大，能把各种数据按照指定的格式打印出来。但是，老朋友也有老朋友的烦恼，printf最让人头疼的就是类型安全问题。一不小心，格式字符串和参数类型不匹配，轻则输出乱码，重则程序崩溃！

int age = 30;
printf("我今年%s岁了。n", age); // 绝对的灾难！

上面这段代码，格式字符串用%s来表示字符串，但实际传入的是int类型的age，编译器不会报错，但运行起来就等着崩溃吧。

C++也提供了std::iostream，但它的格式化操作符（<<）用起来略显繁琐，而且自定义格式化也比较麻烦。

所以，C++20横空出世，带来了std::format，它既有printf的强大，又解决了类型安全问题，还拥有更好的性能。这简直就是程序员的福音啊！

std::format：闪亮登场！

std::format位于<format>头文件中，使用起来非常简单。它使用花括号{}作为占位符，并在花括号内指定格式。

最简单的例子：

#include <iostream>
#include <format>

int main() {
  std::string name = "张三";
  int age = 30;

  std::cout << std::format("你好，我是{}，今年{}岁。n", name, age);
  return 0;
}

输出结果：

你好，我是张三，今年30岁。

看到了吗？std::format会自动根据参数的类型进行格式化，不需要我们手动指定类型，也不用担心类型不匹配的问题。

格式化说明符：精雕细琢你的输出

std::format的强大之处在于它提供了丰富的格式化说明符，可以对输出进行精细的控制。格式化说明符放在花括号{}内，冒号:之后。

1. 填充与对齐

填充字符： 可以指定一个字符来填充空白区域，例如空格、0等。
对齐方式：
- <：左对齐
- >：右对齐
- ^：居中对齐

#include <iostream>
#include <format>

int main() {
  int num = 42;

  std::cout << std::format("{:5d}n", num);      // 默认右对齐，填充空格
  std::cout << std::format("{:<5d}n", num);     // 左对齐，填充空格
  std::cout << std::format("{:>5d}n", num);     // 右对齐，填充空格
  std::cout << std::format("{:^5d}n", num);     // 居中对齐，填充空格
  std::cout << std::format("{:05d}n", num);     // 右对齐，填充0
  std::cout << std::format("{:*^5d}n", num);    // 居中对齐，填充*
  return 0;
}

输出结果：

2. 数字格式化

整数类型：
- d：十进制整数（默认）
- b：二进制整数
- o：八进制整数
- x：十六进制整数（小写字母）
- X：十六进制整数（大写字母）
浮点数类型：
- f：定点表示法
- e：科学计数法（小写字母）
- E：科学计数法（大写字母）
- g：通用格式（自动选择f或e）
- G：通用格式（自动选择f或E）
- %：百分比表示法
精度： 使用.后跟数字来指定精度。对于浮点数，表示小数点后的位数；对于整数，表示最小位数。
千位分隔符： 使用,可以添加千位分隔符。

#include <iostream>
#include <format>
#include <cmath>

int main() {
  int num = 255;
  double pi = std::numbers::pi;

  std::cout << std::format("十进制：{}n", num);
  std::cout << std::format("二进制：{:b}n", num);
  std::cout << std::format("八进制：{:o}n", num);
  std::cout << std::format("十六进制（小写）：{:x}n", num);
  std::cout << std::format("十六进制（大写）：{:X}n", num);

  std::cout << std::format("Pi: {}n", pi);
  std::cout << std::format("Pi: {:.2f}n", pi);    // 保留两位小数
  std::cout << std::format("Pi: {:e}n", pi);      // 科学计数法
  std::cout << std::format("Pi: {:.2e}n", pi);    // 科学计数法，保留两位小数
  std::cout << std::format("Pi: {:g}n", pi);      // 通用格式

  int large_num = 1234567;
  std::cout << std::format("带千位分隔符：{:,d}n", large_num);

  double percentage = 0.85;
  std::cout << std::format("百分比：{:.2%}n", percentage); // 转换为百分比，保留两位小数
  return 0;
}

输出结果：

十进制：255
二进制：11111111
八进制：377
十六进制（小写）：ff
十六进制（大写）：FF
Pi: 3.14159
Pi: 3.14
Pi: 3.141593e+00
Pi: 3.14e+00
Pi: 3.14159
带千位分隔符：1,234,567
百分比：85.00%

3. 字符与字符串格式化

s：字符串（默认）
c：字符

#include <iostream>
#include <format>

int main() {
  char ch = 'A';
  std::string str = "Hello";

  std::cout << std::format("字符：{}n", ch);
  std::cout << std::format("字符串：{}n", str);
  std::cout << std::format("字符串（宽度）：{:10}n", str); // 宽度为10，默认右对齐
  std::cout << std::format("字符串（左对齐）：{:<10}n", str); // 宽度为10，左对齐
  return 0;
}

输出结果：

字符：A
字符串：Hello
字符串（宽度）：     Hello
字符串（左对齐）：Hello

4. 日期与时间格式化

std::format也支持日期和时间的格式化，需要包含<chrono>头文件。但是，C++20对chrono的格式化支持比较有限，C++23将会引入更强大的支持。这里简单演示一下：

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

int main() {
  auto now = std::chrono::system_clock::now();
  auto time_point = std::chrono::system_clock::to_time_t(now);
  std::tm local_time = *std::localtime(&time_point); // 转换为本地时间

  std::cout << std::format("日期时间：{:%Y-%m-%d %H:%M:%S}n", local_time);
  return 0;
}

输出结果（取决于当前时间）：

日期时间：2023-10-27 10:30:00

注意： chrono的格式化说明符以%开头，例如%Y表示年份，%m表示月份，%d表示日期，%H表示小时，%M表示分钟，%S表示秒。

std::vformat：灵活的格式化

std::vformat是std::format的底层函数，它接受一个std::format_args对象作为参数，这个对象包含了要格式化的参数列表。std::format实际上就是调用std::vformat来实现格式化的。

使用std::vformat可以实现更灵活的格式化，例如在运行时动态构建格式字符串。

#include <iostream>
#include <format>

std::string format_message(const std::string& format_str, std::format_args args) {
  return std::vformat(format_str, args);
}

int main() {
  std::string name = "李四";
  int score = 95;

  std::string message = format_message("学生{}的成绩是{}分。n", std::make_format_args(name, score));
  std::cout << message;
  return 0;
}

输出结果：

学生李四的成绩是95分。

性能：std::format的优势

std::format在性能方面通常优于printf和std::iostream。

编译时检查： std::format可以在编译时检查格式字符串的有效性，避免运行时错误。
减少内存分配： std::format通常可以避免不必要的内存分配，提高性能。
优化实现： 现代C++编译器的std::format实现都经过了高度优化。

总结：std::format，你值得拥有！

std::format是C++20引入的一个强大的文本格式化工具，它具有以下优点：

类型安全： 避免了printf的类型安全问题。
简单易用： 使用花括号{}作为占位符，语法简洁明了。
功能强大： 提供了丰富的格式化说明符，可以对输出进行精细的控制。
性能优秀： 通常优于printf和std::iostream。
可扩展性： 可以自定义格式化器来支持自定义类型。

特性	`printf`	`std::iostream`	`std::format`
类型安全	否	部分支持	是
语法	复杂	繁琐	简洁
功能	强大	一般	强大
性能	较好	一般	优秀
可扩展性	差	较好	好
编译时检查	否	否	是

总而言之，std::format是现代C++文本格式化的首选方案。如果你还在使用printf或者觉得std::iostream不够方便，那么赶紧拥抱std::format吧！它会让你写出更安全、更高效、更优雅的代码。

扩展：自定义格式化

std::format还支持自定义类型的格式化。你需要为你的类型提供一个格式化器，这个格式化器负责将你的类型转换为字符串。这部分比较高级，我们这里简单提一下，以后有机会再详细讲解。

结束语：感谢聆听！

好了，今天的“C++ std::format：C++20 安全、高效的文本格式化”讲座就到这里了。希望大家通过今天的学习，能够掌握std::format的基本用法，并在实际项目中灵活运用它。感谢各位的聆听，我们下次再见！希望大家多多练习，熟能生巧！记住，编码的乐趣在于不断探索和学习！

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