第8章 标准库概览

如果只是临时露个小怯，

还费那劲学它干嘛呢？

—— 霍布斯虎

8.1 导言

任何重要的程序都不能单纯使用基本的编程语言。首先，要开发一套程序库。 这些库会构成后续工作的基石。 如果仅使用基本的编程语言编写，绝大多数程序都很烦冗， 相反，采用良好的程序库，几乎任何业务都能化繁为简。

继1-7章之后，9-15章对主要的标准库部件作了概览。 我很简略地介绍了实用的标准库类型，比如string、ostream、variant、vector、map、path、unique_ptr、thread、regex和complex， 及其基本用法。

像1-7章一样，对部分细节无法完全理解的时候，千万别分神、灰心。 本章的目的是：基本理解最实用的标准库部件。

标准库的内容占据了 ISO C++ 标准超过三分之二。 请浏览并尽量采用它，摒弃山寨货。 许多思想注入了它的设计当中，更多的则进入了实现， 还有许多劳作将投入到它的维护和扩展中去。

本书所描述的标准库部件，是每个完整C++实现的组成部分。 除这些标准库组件以外，多数实现还提供了 “图形用户接口(graphical user interface)”系统(GUIs)、 Web接口、数据库接口等等。 类似地，多数应用开发环境还为企业级或工业级“标准”的开发 和/或 运行环境提供了“基本库”。 在此，我不会讲述那些系统和库。

而旨在为标准定义下的C++提供一个自洽的描述，并确保示例可移植。 当然，也鼓励程序员去浏览各个系统提供的范畴广泛的基础部件。

8.2 标准库组件

标准库提供的基础部件可按此分类：

• 运行时语言支持（即：用于资源分配以及提供运行时类型信息）。

• C 标准库（带有极细微的调整，以便降低与类型系统的冲突）。

• 字符串（对国际化字符集、本地化以及子字符串的只读检视提供支持）；参见 §9.2。

• 对正则表达式匹配的支持；参见 §9.4。

• I/O 流，是一个针对输入输出的可扩展框架，用户可添加自定义的类型、流、缓冲策略、 地区和字符集（第10章）。还有个文件系统库，以可移植方式操作文件（§10.10）。

• 容器（例如vector和map）框架和算法 （例如find()、sort)和merge()）；参见第11章和第12章。 习惯上，该框架被称为 STL[Stepanov,1994]，对用户而言是可扩展的， 可添加自定义容器和算法。

• 对数值计算的支持（例如标准的数学函数、复数、带算术运算的向量和随机数生成器）； 参见 §4.2.1 和第14章。

• 对并发运算的支持，包括thread和锁；参见第15章。 对并发的支持非常基础，因此用户能够以库的形式，为并发的新模型添加支持。

• 多数STL算法以及部分数值算法的并行版本（即sort()和reduce()）； 参见 §12.9 和 §14.3.1。

• 用于支持模板元编程的实用工具（即类型trait；§13.9）， STL风格的泛型编程（即pair;§13.4.3），通用编程 （即variant和optional；§13.5.1，§13.5.2）和clock（§13.7）。

• 对高效且安全的通用资源管理提供支持，外加一个可选的垃圾回收器接口（§5.3）。

• 针对资源管理的“智能指针（smart pointers）” （即 unique_ptr和shared_ptr,§13.2.1）。

• 特殊用途的容器，例如：array(§13.4.1)、bitset(§13.4.2) 和tuple(§13.4.3)。

• 常见单位的后缀，例如：毫秒(millisecond)的ms和 虚部(imaginary)的i(§15.4.4)。

某个类被纳入库中的判断标准是：

• 它能给几乎所有C++程序员（不论新手还是专家）带来益处，

• 相对于该部件的简单版本而言，通用版本不会显著增加负担，并且

• 基本用法应该易于学习（相较其功能固有的复杂性而言）。

基本上，C++标准库提供了最常见的基础数据结构，以及应用其上的基本算法。

8.3 标准库头文件和命名空间

每个标准库部件都通过某些头文件提供。例如：

#include<string>
#include<list>

这样就可以使用标准的string和list了。

标准库被定义在一个名为std的命名空间(§3.4)里。 要使用标准库部件，可借助前缀std::：

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

出于简洁的原因，本书极少像例中那样显式使用std::， 也不总显式#include必要的头文件。 要编译并运行这个代码片段，必须#include对应的头文件并确保其声明的名称可访问。 例如：

#include<string>        // make the standard string facilities accessible
using namespace std;    // make std names available without std:: prefix
string s {"C++ is a general−purpose programming language"}; // OK: string is std::string

一般来说，把某个命名空间里的所有名称一股脑丢进全局这种做法，颇有不妥。 但在此书专注于使用标准库，而熟知其涵盖的内容颇为有益。

以下是标准库头文件的一个精选，其中所有声明在命名空间std里：

|精选标准库头文件|| -|-|-<algorithm>|copy(),find(),sort()|第12章<array>|array|§13.4.1<chrono>|duration,time_point|§13.7<cmath>|sqrt(),pow()|§14.2<complex>|complex,sqrt(),pow()|§14.2<filesystem>|path|§10.10<forward_list>|forward_list|§11.6<fstream>|fstream,ifstream,ofstream|§10.7<future>|future,promise|§15.7<ios>|hex,dec,secientific,fixed,defaultfloat|§10.6<iostream>|istream,ostream,cin,cout|第10章<map>|map,multimap|§11.5<memory>|unique_ptr,shared_ptr,allocator|§13.2.1<random>|default_random_engine,normal_distribution|§14.5<regex>|regex,smatch|§9.4<string>|string,basic_string|§9.2<set>|set,multiset|§11.6<sstream>|istringstream,ostringstream|§10.8

|精选标准库头文件（续）|| -|-|-<stdexcept>|length_error,out_of_range,runtime_error|§3.5.1<thread>|thread|§15.2<unordered_map>|unordered_map,unordered_multimap|§11.5<utility>|move(),swap(),pair|第13章<variant>|variant|§13.5.1<vector>|vector|§11.2

此列表远称不上面面俱到。

C标准库的头文件，例如stdlib.h也都在。 每个这样的头文件还有个改版，加了c前缀，移除了.h。 这样的版本，比如<cstdlib>把它的声明都放进了命名空间std。

8.4 忠告

• [1] 别重复造轮子，用库；§8.1; [CG: SL.1]。

• [2] 面临选择的时候，相较于其它的库，优先选标准库；§8.1; [CG: SL.2]。

• [3] 别盲目觉得标准库通吃一切；§8.1。

• [4] 针对使用的部件，记得#include其头文件；§8.3。

• [5] 记住，标准库部件定义在命名空间std里；§8.3; [CG: SL.3]。