C++23：std::print和std::println格式化输出新体验

引言

C++作为一门强大且广泛应用的编程语言，在不断地发展和演进。每一个新的标准版本都会为开发者带来一些令人期待的新特性，以提升开发效率和代码的可读性。C++23也不例外，它引入了许多新的特性和改进，其中 <print> 头文件中提供的 std::print 和 std::println 函数就是两个非常实用的格式化输出工具。本文将详细介绍这两个函数的定义、功能和使用示例，帮助大家更好地理解和使用它们。

C++23 概述

C++标准遵循3年开发周期，并以发布年份命名。C++23沿袭了C++17的传统特征，完善了现有特性。与C++ 98、C++11或C++20相比，改变略小。它引入了一些新的核心语言特性，如模板参数捕获、可变参数模板、UTF - 8字符串字面量、更多的类型别名和using声明等。同时，还引入了一些新特性，如简化的工作线程支持、原子操作、普通指针改进、区域性和字符编码以及可以按程度进行编辑的新字符串操作等。而 std::print 和 std::println 函数的引入，则为输出格式化带来了新的体验。

std::print 和 std::println 函数简介

<print> 头文件

C++23 引入的 <print> 头文件，旨在简化和增强开发者处理输出格式化的方式。这个头文件定义了 print() 和 println() 两个函数，允许使用Unicode字符集，使C++在输出能力上与其他支持这些特性的编程语言相媲美。

std::print 函数

定义与功能

std::print 函数用于将格式化字符串输出到输出流。它类似于C语言中的 printf() 函数，但内部实现基于现代C++组件。其语法如下：

template< class... Args >
void print( std::format_string<Args...> fmt, Args&&... args );

template< class... Args >
void print( std::FILE* stream, std::format_string<Args...> fmt, Args&&... args );

第一个重载形式在默认的输入输出流上输出，第二个重载形式在指定的文件流上输出。

特点

• 类型安全：std::print 是 printf 的类型安全变体。它是可变参数模板，可以接受任意数量的参数，并且参数会被完美转发。默认情况下，格式字符串中的错误会在编译时被捕获，这消除了一类错误和常见的安全漏洞。
• 支持用户自定义类型：通过与 std::format 相同的扩展机制，std::print 支持对用户自定义类型进行格式化。大多数标准类型，如容器、范围、日期和时间，都可以直接进行格式化输出。
• 支持Unicode：std::print 提供了可移植的Unicode支持。只需要确保字符串字面量编码为UTF - 8即可。在POSIX系统上，这通常是默认设置；在Windows/MSVC上，可以通过单个编译器开关 /utf - 8 来启用。
• 可直接写入C流：std::print 可以直接写入C流（文件），绕过了低效的iostream缓冲和额外的同步。

使用示例

#include <print>
#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    // 基本输出
    std::print("Hello, world!\n");

    // 输出变量
    int num = 42;
    std::print("The value of num is {}.\n", num);

    // 输出容器
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3};
    std::print("The vector elements are: {}\n", vec);

    return 0;
}

std::println 函数

定义与功能

std::println 函数与 std::print 函数类似，只是会在结尾自动补上一个换行符 \n。其语法如下：

template< class... Args >
void println( std::format_string<Args...> fmt, Args&&... args );

template< class... Args >
void println( std::FILE* stream, std::format_string<Args...> fmt, Args&&... args );

void println( );

void println( std::FILE* stream );

使用示例

#include <print>

int main() {
    // 基本输出
    std::println("Hello, world!");

    // 输出变量
    double val = 6.22;
    std::string hello{ "Hello" };
    std::println("{} Dos {} !", hello, val);

    return 0;
}

格式化字符串详解

基本语法

格式化字符串由普通字符（除 { 和 } 外）、转义序列 {{ 和 }}（分别替换为 { 和 }）以及替换字段组成。每个替换字段有以下两种格式：

• { arg-id (可选) }：没有格式说明的替换字段。
• { arg-id (可选) : format-spec }：有格式说明的替换字段。

其中，arg-id 指定了 args 中用于格式化的值的参数索引，如果省略，则按顺序使用参数。format-spec 是由 std::formatter 特化版本定义的格式说明，不能以 } 开头。

实参索引

实参索引用于指定用于格式化它的值在 args 中的参数的下标（顺序索引）。如果省略实参索引，那么将按照 args 中的顺序使用参数。需要注意的是，实参索引要么都不使用，要么就全部指定，格式化字符串不支持部分使用索引的情况。

示例

#include <print>
#include <string>

int main() {
    std::string hello{ "Hello" };
    double val = 6.22;

    // 使用实参索引
    std::print("{1} Dos {0} !\n", val, hello);

    // 多次使用同一个实参
    std::string apple{ "apple" };
    std::print("{1} is a good {1}, but Dos is {0} !\n", val, apple);

    return 0;
}

格式说明

格式说明部分以 : 为分隔标志，具体的格式由数据类型对应的 std::formatter 特化版本决定，它和 std::format() 函数是同源的。对于基本类型和标准字符串类型，格式说明形式为：
填充与对齐 (可选) 正负号 (可选) # (可选) 0 (可选) 宽度 (可选) 精度 (可选) L (可选) 类型 (可选)

示例

#include <print>
#include <numbers>

int main() {
    double pi = std::numbers::pi;

    // 指定宽度和精度
    std::print("{:*>10.5f}\n", pi);

    // 动态指定格式化参数
    std::print("{:*>{}.{}f}\n", pi, 10, 5);

    return 0;
}

本地化

在格式化说明部分，大写的 L 用于指示输出采用本地环境（地域化）的特定形式。当前 L 参数的地域化只支持整数、浮点数以及 bool 类型的文本表示。

示例

#include <print>
#include <locale>

struct TrueFalseFacet : std::numpunct<char> {
    std::string do_truename() const override { return "真"; }
    std::string do_falsename() const override { return "假"; }
};

int main() {
    std::locale loc = std::locale("zh_CN");
    std::locale::global(std::locale(loc, new TrueFalseFacet));

    // 本地化输出
    std::print("{:L} or {}\n", true, false);

    return 0;
}

与其他输出方式的比较

与 printf 比较

• 类型安全：printf 需要手动指定格式说明符，容易出现类型不匹配的问题，而 std::print 是类型安全的，编译时会检查格式字符串和参数的类型。
• 使用方便：std::print 使用花括号 {} 作为占位符，语法更简洁，更符合现代编程习惯。
• 支持自定义类型：std::print 支持通过扩展机制对自定义类型进行格式化，而 printf 没有标准的扩展API。

与 std::cout 比较

• 格式化能力：std::cout 的格式化功能相对较弱，需要使用 std::setw、std::setprecision 等操纵符来进行格式化，而 std::print 可以直接在格式字符串中指定格式化规则。
• 代码简洁性：std::print 的语法更简洁，代码可读性更高。例如，输出多个变量时，std::print 可以一次性完成，而 std::cout 需要多次使用 << 运算符。

总结

C++23 引入的 std::print 和 std::println 函数为开发者提供了一种更简洁、更强大的格式化输出方式。它们结合了类型安全、支持Unicode、可自定义类型格式化等优点，使得代码的编写和维护更加容易。同时，格式化字符串的灵活使用也为输出提供了更多的可能性。在实际开发中，建议大家尝试使用这两个函数，体验C++23带来的新特性。