格式化输出 (format)
C++20 引入的格式化库，用 std::format 取代 printf 风格与流风格的输出；C++23 增加了 std::print。
它解决了两边的痛点：printf 类型不安全、不可扩展；iostream 冗长、状态易被污染、性能一般。std::format 借鉴了 Python 的 str.format 和 {fmt} 库的设计，兼顾安全性和可读性。
1. 引入
#include <format> // C++20：std::format
#include <print> // C++23：std::print
2. 核心概念
1. 为什么不用 printf 和 iostream
printf 的问题：
printf("%d\n", 3.14); // 类型不匹配，未定义行为，编译器通常不报错
printf("%s\n", 42); // 同上
格式串和参数类型不匹配是经典 bug，printf 无法在编译期检查（除非编译器开了 -Wformat，但只覆盖部分情况）。而且 printf 无法直接输出自定义类型。
iostream 的问题：
std::cout << "x = " << x << ", y = " << y << "\n";
冗长，格式和内容混在一起，而且 std::hex、std::setprecision 这类操纵符会改变流的状态，忘记恢复会影响后续输出。
std::format 的写法：
std::string s = std::format("x = {}, y = {}", x, y);
类型安全（编译期检查）、简洁、不改变任何全局状态。
2. 基本形式
std::format(格式串, 参数...)
格式串里用 {} 作为占位符，按顺序对应参数：
std::string s = std::format("{} + {} = {}", 1, 2, 3);
// "1 + 2 = 3"
也可以指定位置：
std::format("{1} {0}", "world", "hello"); // "hello world"
3. 格式说明符
完整语法是 {[索引]:[填充][对齐][符号][#][0][宽度][.精度][类型]}。
常用的部分：
| 说明符 | 含义 | 示例 |
|---|---|---|
{} | 默认格式 | std::format("{}", 42) → "42" |
{:d} | 十进制整数 | std::format("{:d}", 42) → "42" |
{:x} / {:X} | 十六进制（小写/大写） | std::format("{:x}", 255) → "ff" |
{:o} | 八进制 | std::format("{:o}", 8) → "10" |
{:b} | 二进制 | std::format("{:b}", 5) → "101" |
{:f} | 定点浮点 | std::format("{:f}", 3.14) → "3.140000" |
{:e} | 科学计数法 | std::format("{:e}", 314.0) → "3.140000e+02" |
{:g} | 自动选择 | std::format("{:g}", 3.14) → "3.14" |
{:c} | 字符 | std::format("{:c}", 65) → "A" |
{:s} | 字符串 | std::format("{:s}", "hi") → "hi" |
{:?} | 调试格式（C++23） | 带引号的字符串 |
3. 用法
1. 宽度、对齐与填充
std::format("{:10}", "hi"); // "hi "（左对齐，宽度 10）
std::format("{:>10}", "hi"); // " hi"（右对齐）
std::format("{:^10}", "hi"); // " hi "（居中）
std::format("{:*^10}", "hi"); // "****hi****"（用 * 填充）
std::format("{:010}", 42); // "0000000042"（补零）
数字默认右对齐，字符串默认左对齐。
2. 精度
std::format("{:.2f}", 3.14159); // "3.14"
std::format("{:.3e}", 31415.9); // "3.142e+04"
std::format("{:.5}", "hello world"); // "hello"（截断字符串）
3. 符号与进制前缀
std::format("{:+d}", 42); // "+42"
std::format("{: d}", 42); // " 42"
std::format("{:#x}", 255); // "0xff"
std::format("{:#b}", 5); // "0b101"
4. 输出到流或文件
std::format 返回字符串，可以直接输出：
std::cout << std::format("x = {}\n", x);
std::ofstream out("log.txt");
out << std::format("[{}] {}\n", level, message);
C++23 的 std::print 更直接：
std::print("x = {}\n", x); // 输出到 stdout
std::println("x = {}", x); // 自动加换行
std::print(stderr, "错误: {}\n", msg); // 输出到 stderr
print 通常比 cout 快，因为它不需要与 C 的 stdio 同步。
5. 格式化自定义类型
需要特化 std::formatter：
struct Point
{
int x, y;
};
template<>
struct std::formatter<Point>
{
constexpr auto parse(std::format_parse_context& ctx)
{
return ctx.begin(); // 不支持额外格式说明符
}
auto format(const Point& p, std::format_context& ctx) const
{
return std::format_to(ctx.out(), "({}, {})", p.x, p.y);
}
};
Point p{1, 2};
std::cout << std::format("{}", p); // "(1, 2)"
如果要支持格式说明符（比如 {:.2f}），parse 需要解析它们并保存下来。
6. 格式化时间
<chrono> 类型可以直接格式化：
#include <chrono>
#include <format>
auto now = std::chrono::system_clock::now();
std::cout << std::format("{:%Y-%m-%d %H:%M:%S}", now);
7. 写入已有缓冲区
std::format_to 直接写入输出迭代器，避免中间字符串：
std::string buffer;
std::format_to(std::back_inserter(buffer), "x = {}", 42);
// 或者写入固定大小的缓冲区
char buf[100];
auto result = std::format_to_n(buf, sizeof(buf), "x = {}", 42);
// result.out 指向写入末尾
4. 注意事项
编译期检查。格式串是编译期常量时，std::format 会检查参数数量和类型：
std::format("{} {}", 1); // 编译错误：参数太少
std::format("{:d}", "hello"); // 编译错误：字符串不能用 :d
这是相对 printf 的最大优势。但如果格式串是运行时字符串，检查就退化为运行时异常。
需要编译器支持。GCC 13+、Clang 17+、MSVC 19.29+ 才比较完整。老版本可以用 {fmt} 库，接口几乎一样。
std::format 返回新字符串。频繁调用会产生大量临时对象。性能敏感场景用 std::format_to 写入复用缓冲区。
std::print 是 C++23。只支持 C++20 时用 std::format 配合 cout。
{} 与 {{}}。要输出字面量花括号，需要写两个：
std::format("{{}}"); // "{}"
不要混用 printf 和 cout。如果程序里同时用了两者，输出顺序可能不符合预期（除非调用了 std::ios::sync_with_stdio(true)，但那样会拖慢 cout）。
格式化宽字符。std::format 处理 char，宽字符用 std::format 的宽字符版本（std::wformat 系列），或者先转成 UTF-8。