C++標準庫（std）詳解

C++是一種功能強大的編程語言，其標準庫（std）提供了豐富的功能和工具，幫助開發者高效地進行編程。本文將詳細介紹C++標準庫的主要組成部分及其使用方法。

一、命名空間（namespace）

在C++中，標準庫的所有內容都定義在std命名空間中。這是為了避免與用戶自定義的函數或類名發生沖突。使用std命名空間有兩種主要方式：

• 顯式指定：每次使用標準庫中的函數或類時，都加上std::前綴，例如std::cout、std::vector。
• 使用聲明：通過using關鍵字引入特定的名稱，例如using std::cout;，這樣在當前作用域內就可以直接使用cout而無需加std::前綴。

二、主要組件

1. 輸入輸出流（<iostream>）

<iostream>頭文件提供了用于控制臺輸入輸出的功能，主要包括：

• std::cin：標準輸入流，通常用于從鍵盤讀取輸入。
• std::cout：標準輸出流，用于向控制臺輸出信息。
• std::cerr：標準錯誤流，用于輸出錯誤信息，通常不帶緩沖。
• std::clog：標準日志流，用于輸出日志信息，通常帶緩沖。

示例代碼：

#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. 字符串處理（<string>）

<string>頭文件提供了std::string類，用于處理字符串。常用操作包括：

• std::string：表示字符串對象。
• std::getline：從輸入流中讀取一行字符串。
• str.size()：返回字符串的長度。
• str.substr(pos, len)：獲取子字符串。
• str1 + str2：字符串拼接。

示例代碼：

#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++標準庫提供了多種容器類，用于存儲和管理數據。常見的容器包括：

• std::vector：動態數組，支持隨機訪問。
• std::list：雙向鏈表，支持快速插入和刪除。
• std::map：關聯容器，存儲鍵值對，按鍵排序。
• std::set：集合容器，存儲唯一元素，自動排序。

示例代碼（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>頭文件提供了許多通用算法，可以應用于各種容器。常用算法包括：

• std::sort：對容器中的元素進行排序。
• std::find：查找容器中的某個元素。
• std::count：統計容器中滿足條件的元素個數。
• std::copy：將一個容器的元素復制到另一個容器。

示例代碼：

#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. 數值處理（<numeric>）

<numeric>頭文件提供了一些數學運算相關的函數，例如：

• std::accumulate：計算容器中元素的累加和。
• std::inner_product：計算兩個容器的內積。

示例代碼：

#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. 函數對象與可調用對象（<functional>）

<functional>頭文件提供了函數對象和可調用對象的包裝器，例如：

• std::function：通用的可調用對象包裝器，可以存儲任何可調用對象（如函數、Lambda表達式、函數對象）。
• std::bind：綁定函數參數，生成新的可調用對象。

示例代碼：

#include <iostream>
#include <functional>void printSquare(int x) {std::cout << x * x << std::endl;
}int main() {std::function<void(int)> func = printSquare;func(5); // 輸出 25return 0;
}

7. 異常處理（<exception>）

<exception>頭文件提供了標準異常類，用于處理程序中的異常情況。常見的異常類包括：

• std::exception：基類，提供what()方法返回異常描述。
• std::runtime_error：運行時錯誤異常。
• std::logic_error：邏輯錯誤異常。

示例代碼：

#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. 時間日期（<chrono>）

<chrono>頭文件提供了處理時間和日期的功能，例如：

• std::chrono::system_clock：系統時鐘，用于獲取當前時間。
• std::chrono::duration：表示時間段。
• std::chrono::time_point：表示時間點。

示例代碼：

#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. 文件系統（<filesystem>）

<filesystem>頭文件提供了操作文件系統的功能，例如：

• std::filesystem::path：表示文件路徑。
• std::filesystem::exists：檢查文件是否存在。
• std::filesystem::create_directory：創建目錄。
• std::filesystem::remove：刪除文件或目錄。

示例代碼：

#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. 線程支持（<thread>, <mutex>, <condition_variable>等）

C++11引入了多線程支持，相關頭文件包括：

• std::thread：表示線程對象。
• std::mutex：互斥鎖，用于保護共享數據。
• std::condition_variable：條件變量，用于線程間同步。

示例代碼：

#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. 正則表達式（<regex>）

<regex>頭文件提供了正則表達式相關的類和函數，用于字符串的模式匹配和搜索。常用功能包括：

• std::regex：表示正則表達式對象。
• std::regex_match：檢查整個字符串是否匹配正則表達式。
• std::regex_search：搜索字符串中與正則表達式匹配的部分。
• std::regex_replace：替換字符串中與正則表達式匹配的部分。

示例代碼：

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