C++語言學習（九）——C++標準庫簡介

C++語言學習（九）——C++標準庫簡介

1、C++標準庫簡介

一、C++標準庫簡介

C++標準庫（C++ Standard Library），是類庫和函數的集合。 
C++編譯器廠商根據C++標準委員會官方的ISO規範並將其轉化爲代碼。C++編譯器廠商在實現C++標準庫過程當中必須依賴其不一樣操做系統所提供的系統調用接口，所以每一個平臺都有其本身的C++標準庫實現。
C++標準庫的特色以下：
A、C++標準庫不是C++語言標準的一部分，由類庫和函數庫組成。
B、C++標準庫中定義的類和對象都位於std命名空間中。
C、C++標準庫的頭文件都不帶.h後綴。
D、C++標準庫涵蓋了C庫的功能。

二、C++編譯環境

C++編譯環境組成以下：

C++編譯環境的組成以下：
A、不一樣的C++編譯器有本身不一樣的C++擴展語法模塊
B、不一樣的C++編譯器有相同的C++標準語法模塊
C、不一樣的C++編譯器有本身的編譯器擴展庫
D、爲了便於軟件開發，不一樣的C++編譯器附帶提供C語言兼容庫，C語言兼容庫頭文件帶.h後綴，如#include <stdio.h>，#include <math.h>等
E、C++標準庫中包含一個涵蓋C庫功能的子庫，一般頭文件以c開頭，如#include <cmath>，#include <cstring>等。
F、不一樣的C++編譯器都有C++編譯器廠商實現的遵循C++標準的C++標準庫，C++標準庫有相同的功能接口，但內部實現不一樣。

2、C++標準庫實現

一、C++標準庫實現簡介

C++標準庫是一組C++模板類，提供了通用的編程數據結構和函數，如鏈表、堆、數組、算法、迭代器等C++組件。C ++標準庫包含了C標準庫，並在C++標準中進行了定義。
C++編譯器開發廠商根據C++標準委員會官方發佈的C++ ISO規範並將其轉化爲代碼。C++編譯器廠商在編譯器實現過程當中必須依賴其操做系統所提供的功能（讀/寫文件，分配內存，建立線程等系統調用），所以每一個平臺都有其本身的標準庫實現。

二、GNU/Linux版實現

在GNU/Linux上，C++標準庫一般由libstdc++或GNU標準C++庫項目實現。一般，全部常規的Linux發行版都默認使用libstdc++。

三、Mac和iOS版實現

在OS X Mavericks（V10.9）前的Mac OS上，libstdc++是默認C++標準庫實現。自OS X Mavericks開始，Apple切換到使用libc++做爲C++標準庫實現。

四、Windows版實現

在Windows上，C++標準庫的實現一直嚴格限定在微軟官方的編譯器Visual Studio中。Windows上的C++標準庫一般稱爲C/C++運行時庫（CRT），涵蓋了C/C++兩者的實現。
Windows最開始的C++標準庫實現爲CRTDLL.DLL庫。Windows 95開始，Microsoft開始將其遷移到MSVCRT [版本號] .DLL（MSVCR20.DLL，MSVCR70.DLL等）上。 
Visual Studio 2015引入了深度的CRT重構。C/C ++標準庫的實現遷移到一個新庫，Universal C運行時庫 (Universal CRT或UCRT)，編譯爲UCRTBASE.DLL。 UCRT從Windows 10開始做爲操做系統的一部分提供。

五、Android版實現

Bionic是Google爲其Android操做系統所編寫的C標準庫實現，直接在底層使用。第三方開發者能夠經過Android原生開發工具包（NDK）訪問Bionic，NDK可使用C和C++代碼編寫Android應用程序。
NDK提供了不少C++標準庫版本的實現：
A、libc++，從Lollipop開始的官方安卓系統和現代Mac操做系統都將其做爲C++標準庫使用。從NDK發佈17版本開始，成爲NDK中惟一可用的C++標準庫實現。
B、gnustl，libstdc++的別名，在NDK發佈18中刪除。
C、STLport，由STLport項目編寫的C++標準庫的第三方實現，自2008年以來一直處於不活躍狀態。STLport在NDK發佈18中移除。

六、其它實現版本

C++標準庫也有不一樣的實現版本：Apache版C++標準庫，uSTL以及EASTL等等。Apache版本C++標準庫注重可移植性。

3、C++標準庫組成

一、 語言支持功能

<cstddef>：定義宏NULL和offsetof以及其它標準類型size_t和ptrdiff_t。與對應的標準C頭文件的區別是，NULL是C++空指針常量的補充定義(C++11中已有關鍵字nullptr），宏offsetof接受結構或者聯合類型參數，只要沒有成員指針類型的非靜態成員便可。
<limits>：提供與基本數據類型相關的定義。例如，對於每一個數值數據類型，它定義了能夠表示出來的最大值和最小值以及二進制數字的位數。
<climits>：提供與基本整數數據類型相關的C樣式定義，C++樣式定義在<limits>中。
<cfloat>：提供與基本浮點型數據類型相關的C樣式定義，C++樣式定義在<limits>中。
<cstdlib>：提供支持程序啓動和終止的宏和函數，還聲明瞭許多其餘雜項函數，例如搜索和排序函數，從字符串轉換爲數值等函數。<cstdlib>與對應的標準C頭文件stdlib.h不一樣，定義了abort(void)。abort()函數還有額外的功能，它不爲靜態或自動對象調用析構函數，也不調用傳給atexit()函數的函數。它還定義了exit()函數的額外功能，能夠釋放靜態對象，以註冊的逆序調用用atexit()註冊的函數。清除並關閉全部打開的C流，把控制權返回給主機環境。
<new>：支持動態內存分配。
<typeinfo>：支持變量在運行期間的類型標識。
<exception>：支持異常處理，是處理程序中可能發生的錯誤的一種方式。
<cstdarg>：支持接受數量可變的參數的函數。即在調用函數時，能夠給函數傳送數量不等的數據項。定義了宏va_arg、va_end、va_start以及va_list類型。
<csetjmp>：爲C樣式的非本地跳躍提供函數，在C++中不經常使用。
<csignal>：爲中斷處理提供C樣式支持。

二、流輸入/輸出

<iostream>：支持標準流cin、cout、cerr和clog的輸入和輸出，還支持多字節字符標準流wcin、wcout、wcerr和wclog。
<iomanip>：提供操縱程序，容許改變流的狀態，從而改變輸出的格式。
<ios>：定義iostream的基類。
<istream>：爲管理輸出流緩存區的輸入定義模板類。
<ostream>：爲管理輸出流緩存區的輸出定義模板類。
<sstream>：支持字符串的流輸入輸出。
<fstream>：支持文件的流輸入輸出。
<iosfwd>：爲輸入輸出對象提供向前的聲明。
<streambuf>：支持流輸入和輸出的緩存。
<cstdio>：爲標準流提供C樣式的輸入和輸出。
<cwchar>：支持多字節字符的C樣式輸入輸出。

三、 診斷功能

<stdexcept>：定義標準異常。
<cassert>：定義斷言宏，用於運行時檢查。
<cerrno>：支持C樣式的錯誤信息。

四、工具函數

<utility>：定義重載的關係運算符，簡化關係運算符的寫入，還定義了pair類型，pair類型是一種模板類型，能夠存儲一對值。
<functional>：定義了許多函數對象類型和支持函數對象的功能，函數對象是支持operator()()函數調用運算符的任意對象。
<memory>：給容器、管理內存的函數和auto_ptr模板類定義標準內存分配器。
<ctime>：支持系統時鐘函數。

五、字符串處理

<string>：爲字符串類型提供支持和定義，包括單字節字符串(由char組成)的string和多字節字符串(由wchar_t組成)。
<cctype>：單字節字符類別。
<cwctype>：多字節字符類別。
<cstring>：爲處理非空字節序列和內存塊提供函數。不一樣於對應的標準C庫頭文件，C樣式字符串的通常C庫函數被返回值爲const和非const的函數對替代。
<cwchar>：爲處理、執行I/O和轉換多字節字符序列提供函數，不一樣於對應的標準C庫頭文件，幾個多字節C樣式字符串操做的通常C庫函數被返回值爲const和非const的函數對替代。
<cstdlib>：爲把單字節字符串轉換爲數值、在多字節字符和多字節字符串之間轉換提供函數。

六、容器類模板

<vector>：定義vector序列模板，是一個大小能夠從新設置的數組類型，比普通數組更安全、更靈活。
<list>：定義list序列模板，是一個序列的鏈表，經常在任意位置插入和刪除元素。
<deque>：定義deque序列模板，支持在開始和結尾的高效插入和刪除操做。
<queue>：爲隊列(先進先出)數據結構定義序列適配器queue和priority_queue。
<stack>：爲堆棧(後進先出)數據結構定義序列適配器stack。
<map>：map是一個關聯容器類型，容許根據鍵值是惟一的，且按照升序存儲。multimap相似於map，但鍵不是惟一的。
<set>：set是一個關聯容器類型，用於以升序方式存儲惟一值。multiset相似於set，可是值沒必要是惟一的。
<bitset>：爲固定長度的位序列定義bitset模板，它能夠看做固定長度的緊湊型bool數組。
<array>：（TR1）固定大小數組，支持複製。
<forward_list>：（c++11）單向列表，支持快速隨機訪問。
<unordered_set>：（TR1)無序容器set，其元素隨機存放。multiset相似於set，可是值沒必要是惟一的。
<unordered_map>：（TR1)無序容器map，其鍵值隨機存放。multimap相似於map，但鍵不是惟一的。

七、迭代器

<iterator>：給迭代器提供定義和支持。

八、算法

<algorithm>：提供一組基於算法的函數，包括置換、排序、合併和搜索。
<cstdlib>：聲明C標準庫函數bsearch()和qsort()，進行搜索和排序。
<ciso646>：容許在代碼中使用and代替&&。

九、數值操做

<complex>：支持複雜數值的定義和操做。
<valarray>：支持數值矢量的操做。
<numeric>：在數值序列上定義一組通常數學操做，例如accumulate和inner_product。
<cmath>：這是C數學庫，其中還附加了重載函數，以支持C++約定。
<cstdlib>：提供的函數能夠提取整數的絕對值，對整數進行取餘數操做。

十、本地化

<locale>：提供的本地化包括字符類別、排序序列以及貨幣和日期表示。
<clocale>：對本地化提供C樣式支持。

4、C++標準庫使用示例

一、C++標準庫使用示例

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

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

上述代碼中，使用了C++標準庫中的string類和iostream流類。

二、C++標準庫的C庫子模塊使用示例

#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;
}

上述代碼中，使用了C++標準庫中的string類、iostream流類，以及C++標準庫中C庫的cmath庫。

三、C語言兼容庫使用示例

#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;
}

上述代碼中，使用了C兼容庫的stdio庫和math庫。

5、C++字符串類

一、C語言的字符串

C語言不支持真正意義上的字符串，但可使用字符數組和一組函數實現字符串操做。C語言不支持自定義類型，所以也不能定義字符串類型。

二、C++語言的字符串

C++語言能夠自定義類型，能夠經過類完成字符串類型的定義，但C++語言也沒有原生的字符串類型。
C++語言經過C++標準庫提供的string類型實現對字符串類型的支持。
string類的特性以下：
A、string直接支持字符串鏈接
B、string直接支持字符串的大小比較
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換

三、C++字符串與數字的轉換

C++標準庫提供了相關類對字符串和數字進行轉換。
字符串流類sstream用於string的轉換。
使用字符串流類須要包含#include <sstream>頭文件。
istringstream表示字符串輸入流，ostringstream表示字符串輸出流。

#include <iostream>
#include <sstream>

using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
    //字符串轉換爲數字
    istringstream iss("3.14");
    double pi;
    if(iss >> pi)
    {
        cout << "PI = " << pi<< endl;
    }
    //數字轉換爲字符串
    ostringstream oss;
    if(oss << pi)
    {
        string PI = oss.str();
        cout << "PI = " << PI << endl;
    }

    return 0;
}

四、字符串循環右移示例

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

using namespace std;

string operator >> (const string& s, int n)
{
    string ret;
    unsigned int pos = 0;
    //右移位數計算
    n = n % s.length();
    //右移的開始位置
    pos = s.length() - n;
    //右移部分的子串做爲起始
    ret = s.substr(pos);
    //鏈接未移動子串
    ret += s.substr(0,pos);
    return ret;
}

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

五、string類操做注意事項

string類內部經過一個數據空間保存字符數據，經過一個成員變量保存當前字符串的長度。所以，C++開發中不能使用C語言的方式對string的存儲空間進行直接操做，而應該使用string提供的接口函數進行字符串操做。

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

int main(int argc, char *argv[])
{
    string s = "12345";
    s.reserve(20);
    //直接對string對象的存儲空間進行操做
    for(int i = 0; i < 5; i++)
    {
        s[5+i] = 'a'+i;
    }
    cout << s << endl;//12345
    //string對象的存儲空間修改結果以下：
    for(int i = 0; i < 5; i++)
    {
        cout << s[5+i] << endl;
    }
    //經過string類接口進行字符串操做
    s.append("ABCD");
    cout << s <<endl;//12345ABCD
    return 0;
}

上述代碼中，直接對string對象的底層數據進行字符串操做後，使用string類的接口可能不能訪問到對string對象底層數據的修改。