现代 C++ 实战（09）：C++20 格式化与编译期计算

printf 类型不安全，iostream 又冗又慢；C++20 的 std::format 把 {fmt} 收进标准库，Python 风格占位符 + 编译期类型检查。同一时代还有 constexpr 进阶、consteval、std::span——把格式化与计算都推向「更安全、更编译期」。

这一篇对应三个 demo：format_demo、constexpr_demo、span_demo。

这是「现代 C++ 实战」系列的第 9 篇。建议先读第 08 篇：错误处理策略。

一、格式化三时代

方式	类型安全	语法	性能
`printf`	❌ 格式与参数不匹配 → UB	C 风格 `%d`	快
`iostream`	✅	`cout << x << y` 冗长	较慢
`std::format`	✅	`"{} + {} = {}"` 简洁	接近 printf

C++23 再加 std::print / std::println——直接输出，不必先拼 string 再 cout。

编译器要求：GCC 13+ / Clang 17+ 支持 std::format；std::print 需 GCC 14+ / Clang 18+。

二、`std::format` 基础

#include <format>
#include <string>

std::string s = std::format("Hello, {}!", "world");
std::cout << std::format("{0} + {0} = {1}\n", 21, 42);

// 对齐与填充
std::format("[{:>10}]", "hi");    // 右对齐
std::format("[{:*^10}]", "hi");   // 居中，* 填充

// 数值格式
std::format("{:x}", 255);          // ff
std::format("{:.2f}", 3.14159);   // 3.14
std::format("{:#b}", 5);          // 0b101

占位符	含义
`{}`	自动格式化
`{0}`, `{1}`	按位置索引
`{:d}` / `{:f}` / `{:s}`	整数 / 浮点 / 字符串
`{:>10}` / `{:<10}` / `{:^10}`	右 / 左 / 居中
`{:.2f}`	精度

自定义类型：实现 formatter<T> 特化，即可用 {} 格式化你的 struct——demo 里有完整示例。

三、`std::print`（C++23）

#include <print>

std::print("value = {}\n", 42);
std::println("done");  // 自动换行

等价于 std::format + 写入 stdout，代码更短。不支持时可用 {fmt} 库或继续 format + cout。

四、`constexpr` 演进

核心思想：参数为编译期常量时，函数在编译期求值——零运行时开销。

标准	constexpr 能力
C++11	函数体只能有一条 return
C++14	允许循环、局部变量、分支
C++17	`if constexpr`、lambda 可 constexpr
C++20	更多标准库算法/容器可 constexpr

constexpr int factorial(int n) {
    int r = 1;
    for (int i = 2; i <= n; ++i) r *= i;
    return r;
}

constexpr int n = factorial(5);     // 编译期：120
static_assert(factorial(5) == 120);

int x = read();
int y = factorial(x);                 // 运行期：x 非常量

用途：数组大小、模板非类型参数、static_assert 校验、查表预计算。

五、`consteval` 与 `constinit`（C++20）

`consteval`：必须在编译期求值

consteval int sq(int n) { return n * n; }

constexpr int a = sq(10);   // OK
// int b = sq(runtime_val); // 错误：consteval 禁止运行期调用

与 constexpr 的区别：constexpr「可以」编译期求值；consteval「必须」编译期求值。

`constinit`：静态变量编译期初始化

1	constinit int global_counter = compute_at_compile_time();

解决静态初始化顺序问题——保证在动态初始化之前已有确定值（仍可能运行期赋值，但首次初始化在编译期完成）。

`if consteval`（C++23）

constexpr int f(int n) {
    if consteval {
        return n * n;           // 编译期路径
    } else {
        return expensive(n);    // 运行期路径
    }
}

同一函数内区分编译期 / 运行期实现。

六、`std::span`：连续内存的非拥有视图

类似 string_view 之于 string，span 不拥有内存，只持有指针 + 长度：

#include <span>
#include <vector>
#include <array>

void sum_print(std::span<const int> data) {
    long s = 0;
    for (int x : data) s += x;
    std::cout << s << '\n';
}

int arr[] = {1, 2, 3};
std::array<int, 3> a = {1, 2, 3};
std::vector<int> v = {1, 2, 3};

sum_print(arr);   // 同一函数
sum_print(a);
sum_print(v);

类型	大小
`span<T>`	动态长度，指针 + size
`span<T, N>`	固定长度 N，仅指针

替代裸指针 + length 参数，边界更清晰；与 Ranges 配合良好（第 10 篇）。

注意：span 生命周期不能长于底层容器——不延长对象寿命。

七、三个 demo 怎么跑

1
2
3

cd ref/cpp_demo/basics/format_demo && ./build.sh --run
cd ref/cpp_demo/basics/constexpr_demo && ./build.sh --run
cd ref/cpp_demo/basics/span_demo && ./build.sh --run

CMake 建议 -std=c++20；需要 C++23 特性时设 -std=c++23。

八、小结

特性	要点
`std::format`	类型安全、 `{}` 占位符，替代 printf/iostream
`std::print`	C++23 一行输出
`constexpr`	编译期计算，C++14 起可写循环
`consteval`	强制编译期
`constinit`	静态变量编译期首初始化
`span`	非拥有连续内存视图