C++标准库是C++编程语言的核心组成部分，提供了一系列高效、可靠的工具和组件，涵盖容器、算法、字符串处理、输入输出、并发支持等多个领域。本文将按功能分类详细介绍C++标准库的主要模块，辅以示例代码，帮助开发者快速上手并高效利用这些工具。无论你是初学者还是资深开发者，C++标准库都能为你的项目注入强大的功能和灵活性。

1. 容器库（Container Library）

容器库是C++标准库的核心，提供多种数据结构用于存储和管理数据。常见的容器包括数组、向量、列表、集合、映射等。以下是主要容器的介绍和使用示例。

1.1 序列容器

序列容器包括std::vector、std::array、std::list、std::deque和std::forward_list，它们按顺序存储元素，适合需要动态调整大小或按索引访问的场景。

示例：使用std::vector动态存储整数

#include <vector>
#include <iostream>

void vector_example() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3};
    vec.push_back(4); // 添加元素
    for (const auto& elem : vec) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << "\nSize: " << vec.size() << std::endl;
}

std::vector是一个动态数组，支持随机访问和尾部插入/删除。它的内存是连续的，适合需要高效访问的场景。

示例：使用std::array固定大小数组

#include <array>
#include <iostream>

void array_example() {
    std::array<int, 3> arr = {1, 2, 3};
    for (const auto& elem : arr) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << "\nSize: " << arr.size() << std::endl;
}

std::array是固定大小的数组，封装了C风格数组，提供了边界检查和迭代器支持。

1.2 关联容器

关联容器包括std::set、std::map、std::multiset和std::multimap，它们基于键值对存储数据，通常使用红黑树实现，适合快速查找和排序。

示例：使用std::map存储键值对

#include <map>
#include <string>
#include <iostream>

void map_example() {
    std::map<std::string, int> scores = {{"Alice", 90}, {"Bob", 85}};
    scores["Charlie"] = 95; // 插入新键值对
    for (const auto& pair : scores) {
        std::cout << pair.first << ": " << pair.second << std::endl;
    }
}

std::map按键自动排序，适合需要快速查找的场景。

1.3 无序关联容器

无序关联容器（如std::unordered_set和std::unordered_map）使用哈希表实现，提供了更快的平均查找时间。

示例：使用std::unordered_map

#include <unordered_map>
#include <string>
#include <iostream>

void unordered_map_example() {
    std::unordered_map<std::string, int> inventory = {{"apple", 10}, {"banana", 20}};
    inventory["orange"] = 15;
    for (const auto& pair : inventory) {
        std::cout << pair.first << ": " << pair.second << std::endl;
    }
}

std::unordered_map适合对查找性能要求高的场景，但不保证元素顺序。

2. 算法库（Algorithm Library）

C++标准库的算法库（<algorithm>）提供了大量通用算法，用于操作容器中的元素，如排序、搜索、复制、变换等。这些算法通常与迭代器配合使用，具有高度的通用性和灵活性。

2.1 排序与搜索

示例：使用std::sort和std::find

#include <algorithm>
#include <vector>
#include <iostream>

void sort_find_example() {
    std::vector<int> vec = {3, 1, 4, 1, 5};
    std::sort(vec.begin(), vec.end()); // 升序排序
    for (const auto& elem : vec) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    auto it = std::find(vec.begin(), vec.end(), 4);
    if (it != vec.end()) {
        std::cout << "Found 4 at position: " << std::distance(vec.begin(), it) << std::endl;
    }
}

std::sort和std::find是算法库的经典工具，分别用于排序和查找元素。

2.2 变换与累积

示例：使用std::transform和std::accumulate

#include <algorithm>
#include <numeric>
#include <vector>
#include <iostream>

void transform_accumulate_example() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4};
    std::vector<int> squared(vec.size());
    std::transform(vec.begin(), vec.end(), squared.begin(), [](int x) { return x * x; });
    for (const auto& elem : squared) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    int sum = std::accumulate(vec.begin(), vec.end(), 0);
    std::cout << "Sum: " << sum << std::endl;
}

std::transform用于对容器元素应用变换操作，std::accumulate用于计算累积值。

3. 字符串库（String Library）

字符串库（<string>）提供了std::string和std::wstring等类，用于处理字符序列。C++20引入了std::string_view，用于高效的只读字符串操作。

示例：字符串操作

#include <string>
#include <string_view>
#include <iostream>

void string_example() {
    std::string str = "Hello, C++!";
    str += " Welcome!";
    std::cout << "String: " << str << std::endl;

    std::string_view sv = str;
    std::cout << "String view: " << sv.substr(0, 5) << std::endl;
}

std::string支持动态字符串操作，而std::string_view避免了不必要的拷贝，提高了性能。

4. 输入输出库（I/O Library）

输入输出库（<iostream>、<fstream>、<sstream>）提供了流式I/O操作，支持控制台、文件和字符串流。

示例：文件读写

#include <fstream>
#include <iostream>

void file_io_example() {
    // 写入文件
    std::ofstream out("example.txt");
    if (out.is_open()) {
        out << "Hello, C++ Standard Library!\n";
        out.close();
    }

    // 读取文件
    std::ifstream in("example.txt");
    std::string line;
    if (in.is_open()) {
        while (std::getline(in, line)) {
            std::cout << "Read: " << line << std::endl;
        }
        in.close();
    }
}

文件流std::ofstream和std::ifstream分别用于写入和读取文件。

5. 并发支持库（Concurrency Library）

C++11引入了并发支持库（<thread>、<mutex>、<atomic>、<future>），用于多线程编程和同步操作。

示例：线程与互斥锁

#include <thread>
#include <mutex>
#include <iostream>

std::mutex mtx;
int counter = 0;

void increment_counter() {
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        ++counter;
    }
}

void thread_example() {
    std::thread t1(increment_counter);
    std::thread t2(increment_counter);
    t1.join();
    t2.join();
    std::cout << "Counter: " << counter << std::endl;
}

std::thread用于创建线程，std::mutex和std::lock_guard确保线程安全。

6. 实用工具库（Utility Library）

实用工具库（<utility>、<functional>、<memory>等）提供了通用工具，如智能指针、函数对象和配对操作。

示例：智能指针

#include <memory>
#include <iostream>

void smart_pointer_example() {
    std::unique_ptr<int> uptr = std::make_unique<int>(42);
    std::cout << "Unique ptr value: " << *uptr << std::endl;

    std::shared_ptr<int> sptr = std::make_shared<int>(100);
    std::cout << "Shared ptr value: " << *sptr << std::endl;
}

std::unique_ptr和std::shared_ptr提供了安全的内存管理，自动释放资源。

7. 数值库（Numeric Library）

数值库（<numeric>、<cmath>、<random>）支持数学运算和随机数生成。

示例：随机数生成

#include <random>
#include <iostream>

void random_example() {
    std::random_device rd;
    std::mt19937 gen(rd());
    std::uniform_int_distribution<> dis(1, 100);
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        std::cout << dis(gen) << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
}

std::random_device和std::mt19937提供了高质量的随机数生成。

8. 其他库

C++标准库还包括时间处理（<chrono>）、正则表达式（<regex>）、文件系统（<filesystem>，C++17引入）等。

示例：文件系统操作

#include <filesystem>
#include <iostream>

void filesystem_example() {
    namespace fs = std::filesystem;
    fs::create_directory("example_dir");
    std::cout << "Created directory: example_dir" << std::endl;

    for (const auto& entry : fs::directory_iterator(".")) {
        std::cout << entry.path() << std::endl;
    }
}

std::filesystem提供了跨平台的目录和文件操作接口。

9. 总结

C++标准库是一个功能强大且灵活的工具集，涵盖了从数据结构到并发编程的方方面面。它的设计注重性能和通用性，使开发者能够快速构建高效、可靠的应用程序。通过本文的分类介绍和示例代码，开发者可以更好地理解和应用这些工具。无论是处理复杂的数据结构、优化算法，还是实现多线程程序，C++标准库都是你不可或缺的伙伴。

建议开发者深入学习每个模块的API，并结合实际项目练习，以充分发挥C++标准库的潜力。未来，随着C++标准的不断演进（如C++20、C++23），标准库将带来更多令人兴奋的功能，值得持续关注！