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C++标准库（`std`）详解

C++标准库（`std`）详解

C++是一种功能强大的编程语言，其标准库（std）提供了丰富的功能和工具，帮助开发者高效地进行编程。本文将详细介绍C++标准库的主要组成部分及其使用方法。

一、命名空间（`namespace`）

在C++中，标准库的所有内容都定义在std命名空间中。这是为了避免与用户自定义的函数或类名发生冲突。使用std命名空间有两种主要方式：

显式指定：每次使用标准库中的函数或类时，都加上std::前缀，例如std::cout、std::vector。
使用声明：通过using关键字引入特定的名称，例如using std::cout;，这样在当前作用域内就可以直接使用cout而无需加std::前缀。

二、主要组件

1. 输入输出流（`<iostream>`）

<iostream>头文件提供了用于控制台输入输出的功能，主要包括：

std::cin：标准输入流，通常用于从键盘读取输入。
std::cout：标准输出流，用于向控制台输出信息。
std::cerr：标准错误流，用于输出错误信息，通常不带缓冲。
std::clog：标准日志流，用于输出日志信息，通常带缓冲。

示例代码：

#include <iostream>

int main() {
    std::cout << "Hello, World!" << std::endl;
    int a;
    std::cin >> a;
    std::cout << "You entered: " << a << std::endl;
    return 0;
}

2. 字符串处理（`<string>`）

<string>头文件提供了std::string类，用于处理字符串。常用操作包括：

std::string：表示字符串对象。
std::getline：从输入流中读取一行字符串。
str.size()：返回字符串的长度。
str.substr(pos, len)：获取子字符串。
str1 + str2：字符串拼接。

示例代码：

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string str1 = "Hello";
    std::string str2 = "World";
    std::string result = str1 + ", " + str2 + "!";
    std::cout << result << std::endl;
    return 0;
}

3. STL容器（`<vector>`, `<list>`, `<map>`, `<set>`等）

C++标准库提供了多种容器类，用于存储和管理数据。常见的容器包括：

std::vector：动态数组，支持随机访问。
std::list：双向链表，支持快速插入和删除。
std::map：关联容器，存储键值对，按键排序。
std::set：集合容器，存储唯一元素，自动排序。

示例代码（使用std::vector）：

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
    for (int num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

4. 算法（`<algorithm>`）

<algorithm>头文件提供了许多通用算法，可以应用于各种容器。常用算法包括：

std::sort：对容器中的元素进行排序。
std::find：查找容器中的某个元素。
std::count：统计容器中满足条件的元素个数。
std::copy：将一个容器的元素复制到另一个容器。

示例代码：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {5, 3, 1, 4, 2};
    std::sort(numbers.begin(), numbers.end());
    for (int num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

5. 数值处理（`<numeric>`）

<numeric>头文件提供了一些数学运算相关的函数，例如：

std::accumulate：计算容器中元素的累加和。
std::inner_product：计算两个容器的内积。

示例代码：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <numeric>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
    int sum = std::accumulate(numbers.begin(), numbers.end(), 0);
    std::cout << "Sum: " << sum << std::endl;
    return 0;
}

6. 函数对象与可调用对象（`<functional>`）

<functional>头文件提供了函数对象和可调用对象的包装器，例如：

std::function：通用的可调用对象包装器，可以存储任何可调用对象（如函数、Lambda表达式、函数对象）。
std::bind：绑定函数参数，生成新的可调用对象。

示例代码：

#include <iostream>
#include <functional>

void printSquare(int x) {
    std::cout << x * x << std::endl;
}

int main() {
    std::function<void(int)> func = printSquare;
    func(5); // 输出 25
    return 0;
}

7. 异常处理（`<exception>`）

<exception>头文件提供了标准异常类，用于处理程序中的异常情况。常见的异常类包括：

std::exception：基类，提供what()方法返回异常描述。
std::runtime_error：运行时错误异常。
std::logic_error：逻辑错误异常。

示例代码：

#include <iostream>
#include <exception>

int main() {
    try {
        throw std::runtime_error("An error occurred");
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cout << "Caught exception: " << e.what() << std::endl;
    }
    return 0;
}

8. 时间日期（`<chrono>`）

<chrono>头文件提供了处理时间和日期的功能，例如：

std::chrono::system_clock：系统时钟，用于获取当前时间。
std::chrono::duration：表示时间段。
std::chrono::time_point：表示时间点。

示例代码：

#include <iostream>
#include <chrono>
#include <thread>

int main() {
    auto now = std::chrono::system_clock::now();
    std::cout << "Current time: " << std::chrono::system_clock::to_time_t(now) << std::endl;
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    return 0;
}

9. 文件系统（`<filesystem>`）

<filesystem>头文件提供了操作文件系统的功能，例如：

std::filesystem::path：表示文件路径。
std::filesystem::exists：检查文件是否存在。
std::filesystem::create_directory：创建目录。
std::filesystem::remove：删除文件或目录。

示例代码：

#include <iostream>
#include <filesystem>

namespace fs = std::filesystem;

int main() {
    fs::path p = "example.txt";
    if (fs::exists(p)) {
        std::cout << p << " exists" << std::endl;
    } else {
        std::cout << p << " does not exist" << std::endl;
    }
    return 0;
}

10. 线程支持（`<thread>`, `<mutex>`, `<condition_variable>`等）

C++11引入了多线程支持，相关头文件包括：

std::thread：表示线程对象。
std::mutex：互斥锁，用于保护共享数据。
std::condition_variable：条件变量，用于线程间同步。

示例代码：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex mtx;

void printMessage(const std::string& message) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
    std::cout << message << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t1(printMessage, "Hello from thread 1");
    std::thread t2(printMessage, "Hello from thread 2");
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

11. 正则表达式（`<regex>`）

<regex>头文件提供了正则表达式相关的类和函数，用于字符串的模式匹配和搜索。常用功能包括：

std::regex：表示正则表达式对象。
std::regex_match：检查整个字符串是否匹配正则表达式。
std::regex_search：搜索字符串中与正则表达式匹配的部分。
std::regex_replace：替换字符串中与正则表达式匹配的部分。

示例代码：

#include <iostream>
#include <regex>
#include <string>

int main() {
    std::string text = "Hello, World!";
    std::regex pattern("\\bWorld\\b"); // 匹配单词 "World"
    if (std::regex_search(text, pattern)) {
        std::cout << "Match found!" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "No match found." << std::endl;
    }
    return 0;
}

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