第9章 库概览

• 简介

• 标准库组件

• 标准库组织

​ 命名空间；

​ ranges 命名空间；

​ 模块；

​ 头文件

• 建议

9.1 简介

没有任何重要的程序是仅用裸编程语言编写的。首先，会开发一套库。这些库随后成为进一步工作的基础。大多数程序用裸语言编写都是繁琐的，而通过使用优秀的库，几乎任何任务都可以变得简单。

继第1至第8章之后，第9至第18章快速概述了关键标准库设施。我将简要介绍有用的标准库类型，如 string 、 ostream 、 variant 、 vector 、 map 、 path 、 unique_ptr 、 thread 、 regex 、 system_clock 、 time_zone 和 complex ，以及使用它们最常见的方法。

与第1至第8章一样，强烈建议您不要因对细节理解不全而分心或气馁。本章的目的是传达对最有用的库设施的基本理解。

标准库的规范占ISO C++标准的三分之二以上。探索它，并优先于自制的替代方案。在其设计上已经投入了大量的思考，其实施上更是如此，而且维护和扩展也将需要大量的努力。

本书中描述的标准库设施是每个完整的C++实现的一部分。除了标准库组件之外，大多数实现还提供“图形用户界面”系统(GUI)、Web接口、数据库接口等。类似地，大多数应用程序开发环境为公司或工业的“标准”开发和/或执行环境提供“基础库”。除此之外，还有数千个支持特定应用领域的库。在这里，我不会描述超出标准库之外的库、系统或环境。目的是提供一个由其标准[C++,2020]定义的C++自包含描述，并保持示例的可移植性。自然，鼓励程序员探索大多数系统上可用的更广泛设施。

9.2 设施

标准库提供的设施可以这样分类：

• 运行时语言支持（例如，用于分配、异常和运行时类型信息）。
• C标准库（进行了很小的修改以最小化类型系统违规）。
• 支持国际化字符集、本地化及子字符串的只读视图的字符串处理（§10.2）。
• 正则表达式匹配的支持（§10.4）。
• 输入输出流是一个可扩展框架，用户可以向其中添加自己的类型、流、缓冲策略、区域设置和字符集（第11章）。它还提供了灵活的输出格式化功能（§11.6.2）。
• 一个用于以可移植方式操作文件系统的库（§11.9）。
• 容器（如 vector 和 map ；第12章）和算法（如 find() 、 sort() 和 merge() ；第13章）的框架。这个传统上称为 STL 的框架[Stepanov,1994]是可扩展的，因此用户可以添加自己的容器和算法。
• 范围（§14.1），包括视图（§14.2）、生成器（§14.3）和管道（§14.4）。
• 基本类型和范围的概念（§14.5）。
• 对数值计算的支持，如标准数学函数、复数、具有算术运算的向量、数学常数和随机数生成器（§5.2.1和第16章）。
• 对并发编程的支持，包括 线程 和 锁 （第18章）。并发支持是基础性的，以便用户能够以库的形式添加对新并发模型的支持。
• 同步和异步协程（§18.6）。
• 大部分 STL 算法和一些数值算法（如 sort() （§13.6）和 reduce() （§17.3.1））的并行版本。
• 支持元编程（例如，类型函数；§16.4）、STL风格的泛型编程（例如， pair ；§15.3.3）和一般编程（例如， variant 和 optional ；§15.4.1, §15.4.2）的实用工具。
• 用于资源管理的“智能指针”（如 unique_ptr 和 shared_ptr ；§15.2.1）。
• 特殊用途容器，如 array （§15.3.1）、 bitset （§15.3.2）和 tuple （§15.3.3）。
• 支持绝对时间和持续时间，如 time_point 和 system_clock （§16.2.1）。
• 支持日历，如 month 和 time_zone （§16.2.2, §16.2.3）。
• 流行单位的后缀，如 ms 表示毫秒， i 表示虚部（§6.6）。
• 操纵元素序列的方法，如视图（§14.2）、 string_views （§10.3）和 spans （§15.2.2）。将一个类包含进库的主要标准是：
  • 它几乎可以帮助每一位C++程序员（无论新手还是专家）。
  • 它可以以一种通用的形式提供，相比同一设施的简化版本，不会增加显著的开销。
  • 简单的使用应该易于学习（相对于他们任务固有的复杂度）。

实质上，C++标准库提供了最常见且基础的数据结构，以及在这些数据结构上使用的根本算法。

9.3 标准库组织结构

标准库的所有设施都被放置在名为 std 的命名空间中，并通过模块或头文件向用户开放。

9.3.1 命名空间

每个标准库设施都是通过某个标准头文件提供的。例如：

#include <string>
#include <list>

这使得标准的 string 和 list 可用。

标准库是在名为 std 的命名空间（§3.3）中定义的。要使用标准库设施，可以使用 std:: 前缀：

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

为了简洁，在示例中我很少使用 std:: 前缀。我也不会明确地 #include 或 import 必要的头文件或模块。要编译和运行这里的程序片段，你必须使标准库的相关部分可用。例如：

#include <string> // 使标准字符串设施可访问
using namespace std; // 使std中的名字无需std::前缀即可使用
string s {"C++ is a general-purpose programming language"}; // 可行：string等同于std::string

通常情况下，将命名空间中的所有名字导入全局命名空间是不推荐的做法。然而，在本书中，我专一使用标准库，了解它提供的内容是有益的。

标准库向 std 提供了几个只能通过显式动作访问的子命名空间：

• std::chrono ：chrono中的所有设施，包括 std::literals::chrono_literals （§16.2）。
• std::literals::chrono_literals ：年份的 y 、天数的 d 、小时的 h 、分钟的 min 、毫秒的 ms 、纳秒的 ns 、秒的 s 以及微秒的 us 后缀（§16.2）。
• std::literals::complex_literals ：虚部double的 i 、虚部float的 if 和虚部long double的 il 后缀（§6.6）。
• std::literals::string_literals ：字符串的 s 后缀（§6.6, §10.2）。
• std::literals::string_view_literals ：字符串视图的 sv 后缀（§10.3）。
• std::numbers ：数学常数（§17.9）。
• std::pmr ：多态内存资源(polymorphic memory resources)（§12.7）。

要使用子命名空间中的后缀，我们必须将其引入我们想要使用它的命名空间中。例如：

// 未提及complex_literals
auto z1 = 2+3i;// 错误：没有'i'后缀
using namespace literals::complex_literals; // 使复数字面量可见
auto z2 = 2+3i;// 正确：z2是一个complex<double>

对于什么应该放在子命名空间中，并没有一致的哲学。但是，后缀不能被明确限定，所以我们只能引入一组后缀到一个作用域中，以防引起歧义。因此，为打算与其他可能定义自己后缀的库一起工作的库设计的后缀，会被放置在子命名空间中。

9.3.2 ranges命名空间

标准库提供了两种版本的算法，比如 sort() 和 copy() ：

• 传统的序列版本，接受一对迭代器；例如， sort(begin(v),v.end())
• 范围版本，接受单一范围；例如， sort(v)

理想情况下，这两个版本应能完美重载，无需特殊努力。然而，事实并非如此。例如：

using namespace std;
using namespace ranges;

void f(vector<int>& v) {
    sort(v.begin(), v.end());    // 错误：二义性
    sort(v);                     // 错误：二义性
}

为了避免在使用传统无约束模板时产生的二义性，标准要求我们显式地将标准库算法的范围版本引入作用域：

using namespace std;

void g(vector<int>& v) {
    sort(v.begin(), v.end());       //  OK
    sort(v);                        //  error: no matching function (in std)
    ranges::sort(v);                //  OK
    using ranges::sort;             // 从这里开始，sort(v)就正确了
    sort(v);                        // OK
}

通过这种方式，我们能够明确区分并正确调用传统迭代器版本和范围版本的算法。

9.3.3 模块

目前还没有标准库模块。C++23很可能会弥补这一遗漏（这是由于委员会时间不足造成的）。目前，我使用的模块名为 std ，这很可能会成为标准，它提供了 std 命名空间中的所有设施。详情参见附录A。

9.3.4 头文件

以下是一些标准库头文件的选摘，它们都在 std 命名空间中提供声明：

<algorithm>	copy(), find(), sort()	Chapter 13
<array>	array	§15.3.1
<chrono>	duration, time_point, month, time_zone	§16.2
<cmath>	sqrt(), pow()	§17.2
<complex>	complex, sqrt(), pow()	§17.4
<concepts>	floating_point, copyable, predicate, invocable	§14.5
<filesystem>	path	§11.9
<format>	format()	§11.6.2
<fstream>	fstream, ifstream, ofstream	§11.7.2
<functional>	function, greater_equal, hash, range_value_t	Chapter 16
<future>	future, promise	§18.5
<ios>	hex, dec, scientific, fixed, defaultfloat	§11.6.2
<iostream>	istream, ostream, cin, cout	Chapter 11
<map>	map, multimap	§12.6
<memory>	unique_ptr, shared_ptr, allocator	§15.2.1
<random>	default_random_engine, normal_distribution	§17.5
<ranges>	sized_range, subrange, take(), split(), iterator_t	§14.1
<regex>	regex, smatch	§10.4
<string>	string, basic_string	§10.2
<string_view>	string_view	§10.3
<set>	set, multiset	§12.8
<sstream>	istringstream, ostringstream	§11.7.3
<stdexcept>	length_error, out_of_range, runtime_error	§4.2
<tuple>	tuple, get<>(), tuple_size<>	§15.3.4
<thread>	thread	§18.2
<unordered_map>	unordered_map, unordered_multimap	§12.6
<utility>	move(), swap(), pair	Chapter 16
<variant>	variant	§15.4.1
<vector>	vector	§12.2

该列表远未完成。

C标准库中的头文件，例如 <stdlib.h> ，都会提供。对于每个这样的头文件，都存在一个版本，其名称以前缀 c 开头并去掉了 .h 。这样的版本，比如 <cstdlib> ，会将其声明放在 std 和全局命名空间中。

这些头文件反映了标准库开发的历史。因此，它们并不总是如我们所期望的那样逻辑清晰和易于记忆。这是使用模块（例如 std （§9.3.3））的一个原因。

9.4 建议

1. 不要重复造轮子；使用库；§9.1；[CG: SL.1.]
2. 当有选择时，优先选择标准库而非其他库；§9.1；[CG: SL.2]。
3. 不要认为标准库对所有事情都是最理想的；§9.1。
4. 如果不使用模块，请记住 #include 相应的头文件；§9.3.1。
5. 记住，标准库设施定义在 std 命名空间中；§9.3.1；[CG: SL.3]。
6. 使用 ranges 时，请记住显式指定算法名称；§9.3.2。
7. 优先导入模块而不是 #include 头文件（§9.3.3）。