C++语言学习（九）——C++标准库简介

C++语言学习（九）——C++标准库简介

一、C++标准库简介

1、C++标准库简介

C++标准库（C++ Standard Library），是类库和函数的集合。 
C++编译器厂商根据C++标准委员会官方的ISO规范并将其转化为代码。C++编译器厂商在实现C++标准库过程中必须依赖其不同操作系统所提供的系统调用接口，因此每个平台都有其自己的C++标准库实现。
C++标准库的特点如下：
A、C++标准库不是C++语言标准的一部分，由类库和函数库组成。
B、C++标准库中定义的类和对象都位于std命名空间中。
C、C++标准库的头文件都不带.h后缀。
D、C++标准库涵盖了C库的功能。

2、C++编译环境

C++编译环境组成如下：

C++编译环境的组成如下：
A、不同的C++编译器有自己不同的C++扩展语法模块
B、不同的C++编译器有相同的C++标准语法模块
C、不同的C++编译器有自己的编译器扩展库
D、为了便于软件开发，不同的C++编译器附带提供C语言兼容库，C语言兼容库头文件带.h后缀，如#include <stdio.h>，#include <math.h>等
E、C++标准库中包含一个涵盖C库功能的子库，通常头文件以c开头，如#include <cmath>，#include <cstring>等。
F、不同的C++编译器都有C++编译器厂商实现的遵循C++标准的C++标准库，C++标准库有相同的功能接口，但内部实现不同。

二、C++标准库实现

1、C++标准库实现简介

C++标准库是一组C++模板类，提供了通用的编程数据结构和函数，如链表、堆、数组、算法、迭代器等C++组件。C ++标准库包含了C标准库，并在C++标准中进行了定义。
C++编译器开发厂商根据C++标准委员会官方发布的C++ ISO规范并将其转化为代码。C++编译器厂商在编译器实现过程中必须依赖其操作系统所提供的功能（读/写文件，分配内存，创建线程等系统调用），因此每个平台都有其自己的标准库实现。

2、GNU/Linux版实现

在GNU/Linux上，C++标准库通常由libstdc++或GNU标准C++库项目实现。通常，所有常规的Linux发行版都默认使用libstdc++。

3、Mac和iOS版实现

在OS X Mavericks（V10.9）前的Mac OS上，libstdc++是默认C++标准库实现。自OS X Mavericks开始，Apple切换到使用libc++作为C++标准库实现。

4、Windows版实现

在Windows上，C++标准库的实现一直严格限定在微软官方的编译器Visual Studio中。Windows上的C++标准库通常称为C/C++运行时库（CRT），涵盖了C/C++二者的实现。
Windows最开始的C++标准库实现为CRTDLL.DLL库。Windows 95开始，Microsoft开始将其迁移到MSVCRT [版本号] .DLL（MSVCR20.DLL，MSVCR70.DLL等）上。 
Visual Studio 2015引入了深度的CRT重构。C/C ++标准库的实现迁移到一个新库，Universal C运行时库 (Universal CRT或UCRT)，编译为UCRTBASE.DLL。 UCRT从Windows 10开始作为操作系统的一部分提供。

5、Android版实现

Bionic是Google为其Android操作系统所编写的C标准库实现，直接在底层使用。第三方开发者可以通过Android原生开发工具包（NDK）访问Bionic，NDK可以使用C和C++代码编写Android应用程序。
NDK提供了很多C++标准库版本的实现：
A、libc++，从Lollipop开始的官方安卓系统和现代Mac操作系统都将其作为C++标准库使用。从NDK发布17版本开始，成为NDK中唯一可用的C++标准库实现。
B、gnustl，libstdc++的别名，在NDK发布18中删除。
C、STLport，由STLport项目编写的C++标准库的第三方实现，自2008年以来一直处于不活跃状态。STLport在NDK发布18中移除。

6、其它实现版本

C++标准库也有不同的实现版本：Apache版C++标准库，uSTL以及EASTL等等。Apache版本C++标准库注重可移植性。

三、C++标准库组成

1、 语言支持功能

<cstddef>：定义宏NULL和offsetof以及其它标准类型size_t和ptrdiff_t。与对应的标准C头文件的区别是，NULL是C++空指针常量的补充定义(C++11中已有关键字nullptr），宏offsetof接受结构或者联合类型参数，只要没有成员指针类型的非静态成员即可。
<limits>：提供与基本数据类型相关的定义。例如，对于每个数值数据类型，它定义了可以表示出来的最大值和最小值以及二进制数字的位数。
<climits>：提供与基本整数数据类型相关的C样式定义，C++样式定义在<limits>中。
<cfloat>：提供与基本浮点型数据类型相关的C样式定义，C++样式定义在<limits>中。
<cstdlib>：提供支持程序启动和终止的宏和函数，还声明了许多其他杂项函数，例如搜索和排序函数，从字符串转换为数值等函数。<cstdlib>与对应的标准C头文件stdlib.h不同，定义了abort(void)。abort()函数还有额外的功能，它不为静态或自动对象调用析构函数，也不调用传给atexit()函数的函数。它还定义了exit()函数的额外功能，可以释放静态对象，以注册的逆序调用用atexit()注册的函数。清除并关闭所有打开的C流，把控制权返回给主机环境。
<new>：支持动态内存分配。
<typeinfo>：支持变量在运行期间的类型标识。
<exception>：支持异常处理，是处理程序中可能发生的错误的一种方式。
<cstdarg>：支持接受数量可变的参数的函数。即在调用函数时，可以给函数传送数量不等的数据项。定义了宏va_arg、va_end、va_start以及va_list类型。
<csetjmp>：为C样式的非本地跳跃提供函数，在C++中不常用。
<csignal>：为中断处理提供C样式支持。

2、流输入/输出

<iostream>：支持标准流cin、cout、cerr和clog的输入和输出，还支持多字节字符标准流wcin、wcout、wcerr和wclog。
<iomanip>：提供操纵程序，允许改变流的状态，从而改变输出的格式。
<ios>：定义iostream的基类。
<istream>：为管理输出流缓存区的输入定义模板类。
<ostream>：为管理输出流缓存区的输出定义模板类。
<sstream>：支持字符串的流输入输出。
<fstream>：支持文件的流输入输出。
<iosfwd>：为输入输出对象提供向前的声明。
<streambuf>：支持流输入和输出的缓存。
<cstdio>：为标准流提供C样式的输入和输出。
<cwchar>：支持多字节字符的C样式输入输出。

3、 诊断功能

<stdexcept>：定义标准异常。
<cassert>：定义断言宏，用于运行时检查。
<cerrno>：支持C样式的错误信息。

4、工具函数

<utility>：定义重载的关系运算符，简化关系运算符的写入，还定义了pair类型，pair类型是一种模板类型，可以存储一对值。
<functional>：定义了许多函数对象类型和支持函数对象的功能，函数对象是支持operator()()函数调用运算符的任意对象。
<memory>：给容器、管理内存的函数和auto_ptr模板类定义标准内存分配器。
<ctime>：支持系统时钟函数。

5、字符串处理

<string>：为字符串类型提供支持和定义，包括单字节字符串(由char组成)的string和多字节字符串(由wchar_t组成)。
<cctype>：单字节字符类别。
<cwctype>：多字节字符类别。
<cstring>：为处理非空字节序列和内存块提供函数。不同于对应的标准C库头文件，C样式字符串的一般C库函数被返回值为const和非const的函数对替代。
<cwchar>：为处理、执行I/O和转换多字节字符序列提供函数，不同于对应的标准C库头文件，几个多字节C样式字符串操作的一般C库函数被返回值为const和非const的函数对替代。
<cstdlib>：为把单字节字符串转换为数值、在多字节字符和多字节字符串之间转换提供函数。

6、容器类模板

<vector>：定义vector序列模板，是一个大小可以重新设置的数组类型，比普通数组更安全、更灵活。
<list>：定义list序列模板，是一个序列的链表，常常在任意位置插入和删除元素。
<deque>：定义deque序列模板，支持在开始和结尾的高效插入和删除操作。
<queue>：为队列(先进先出)数据结构定义序列适配器queue和priority_queue。
<stack>：为堆栈(后进先出)数据结构定义序列适配器stack。
<map>：map是一个关联容器类型，允许根据键值是唯一的，且按照升序存储。multimap类似于map，但键不是唯一的。
<set>：set是一个关联容器类型，用于以升序方式存储唯一值。multiset类似于set，但是值不必是唯一的。
<bitset>：为固定长度的位序列定义bitset模板，它可以看作固定长度的紧凑型bool数组。
<array>：（TR1）固定大小数组，支持复制。
<forward_list>：（c++11）单向列表，支持快速随机访问。
<unordered_set>：（TR1)无序容器set，其元素随机存放。multiset类似于set，但是值不必是唯一的。
<unordered_map>：（TR1)无序容器map，其键值随机存放。multimap类似于map，但键不是唯一的。

7、迭代器

<iterator>：给迭代器提供定义和支持。

8、算法

<algorithm>：提供一组基于算法的函数，包括置换、排序、合并和搜索。
<cstdlib>：声明C标准库函数bsearch()和qsort()，进行搜索和排序。
<ciso646>：允许在代码中使用and代替&&。

9、数值操作

<complex>：支持复杂数值的定义和操作。
<valarray>：支持数值矢量的操作。
<numeric>：在数值序列上定义一组一般数学操作，例如accumulate和inner_product。
<cmath>：这是C数学库，其中还附加了重载函数，以支持C++约定。
<cstdlib>：提供的函数可以提取整数的绝对值，对整数进行取余数操作。

10、本地化

<locale>：提供的本地化包括字符类别、排序序列以及货币和日期表示。
<clocale>：对本地化提供C样式支持。

四、C++标准库使用示例

1、C++标准库使用示例

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
    string s = "Hello, C++ Library.";
    cout << s <<endl;
    return 0;
}

上述代码中，使用了C++标准库中的string类和iostream流类。

2、C++标准库的C库子模块使用示例

#include <iostream>
#include <cmath>

using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
    string s = "Hello, C module of C++ Library.";
    cout << s <<endl;
    double d = sqrt(4.0);
    cout << d << endl;
    return 0;
}

上述代码中，使用了C++标准库中的string类、iostream流类，以及C++标准库中C库的cmath库。

3、C语言兼容库使用示例

#include <stdio.h>
#include <math.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    const char* s = "Hello, C Compatible Library.";
    printf("%s\n", s);

    double d = sqrt(4);
    printf("%lf\n", d);
    return 0;
}

上述代码中，使用了C兼容库的stdio库和math库。

五、C++字符串类

1、C语言的字符串

C语言不支持真正意义上的字符串，但可以使用字符数组和一组函数实现字符串操作。C语言不支持自定义类型，因此也不能定义字符串类型。

2、C++语言的字符串

C++语言可以自定义类型，可以通过类完成字符串类型的定义，但C++语言也没有原生的字符串类型。
C++语言通过C++标准库提供的string类型实现对字符串类型的支持。
string类的特性如下：
A、string直接支持字符串连接
B、string直接支持字符串的大小比较
C、string直接支持子串查找和提取
D、string直接支持字符串的插入和替换

3、C++字符串与数字的转换

C++标准库提供了相关类对字符串和数字进行转换。
字符串流类sstream用于string的转换。
使用字符串流类需要包含#include <sstream>头文件。
istringstream表示字符串输入流，ostringstream表示字符串输出流。

#include <iostream>
#include <sstream>

using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
    //字符串转换为数字
    istringstream iss("3.14");
    double pi;
    if(iss >> pi)
    {
        cout << "PI = " << pi<< endl;
    }
    //数字转换为字符串
    ostringstream oss;
    if(oss << pi)
    {
        string PI = oss.str();
        cout << "PI = " << PI << endl;
    }

    return 0;
}

4、字符串循环右移示例

#include <iostream>
#include <sstream>
#include <string>

using namespace std;

string operator >> (const string& s, int n)
{
    string ret;
    unsigned int pos = 0;
    //右移位数计算
    n = n % s.length();
    //右移的开始位置
    pos = s.length() - n;
    //右移部分的子串作为起始
    ret = s.substr(pos);
    //连接未移动子串
    ret += s.substr(0,pos);
    return ret;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    string s = "abcdef";
    cout << (s >> 3) << endl;//"defabc"
    return 0;
}

5、string类操作注意事项

string类内部通过一个数据空间保存字符数据，通过一个成员变量保存当前字符串的长度。因此，C++开发中不能使用C语言的方式对string的存储空间进行直接操作，而应该使用string提供的接口函数进行字符串操作。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
    string s = "12345";
    s.reserve(20);
    //直接对string对象的存储空间进行操作
    for(int i = 0; i < 5; i++)
    {
        s[5+i] = 'a'+i;
    }
    cout << s << endl;//12345
    //string对象的存储空间修改结果如下：
    for(int i = 0; i < 5; i++)
    {
        cout << s[5+i] << endl;
    }
    //通过string类接口进行字符串操作
    s.append("ABCD");
    cout << s <<endl;//12345ABCD
    return 0;
}

上述代码中，直接对string对象的底层数据进行字符串操作后，使用string类的接口可能不能访问到对string对象底层数据的修改。