第一节 · 军械库 · 初识标准库

到目前为止，我们已经学习了 C++ 的基础语法——变量、类型、运算符、控制流、函数……这些是编程的基本功，就像习武之人需要先学会基本招式一样。

但光有基本招式是不够的，你还需要趁手的兵器。C++ 的标准库（Standard Library）就是这样一个"军械库"，里面有各种各样的工具，可以帮助我们更高效地完成任务。

---

什么是标准库

标准库是 C++ 语言规范的一部分，由一系列预先编写好的代码组成。这些代码实现了许多常用的功能，比如输入输出、字符串处理、数学运算、容器、算法等等。

使用标准库，我们就不需要从零开始编写这些功能。这就像你做饭时不需要自己种菜、磨面粉一样——超市里有现成的食材，你只需要买回来烹饪即可。

我们其实已经在使用标准库了。还记得吗？

#include <iostream>

std::cout << "Hello!" << std::endl;

iostream 就是标准库的一部分，它提供了输入输出功能。cout、cin、endl 都是标准库提供的对象。

---

命名空间 std

标准库中的所有内容都被放在一个名为 std 的命名空间中。命名空间是一种组织代码的方式，可以避免名字冲突。

要使用标准库中的内容，有几种方式：

方式一：每次使用时加上 std:: 前缀

std::cout << "Hello" << std::endl;
std::string name = "Alice";
std::vector<int> numbers;

方式二：使用 using 声明

using std::cout;
using std::endl;
using std::string;

cout << "Hello" << endl;
string name = "Alice";

方式三：使用 using namespace 指令

using namespace std;

cout << "Hello" << endl;
string name = "Alice";

using namespace std; 会将整个 std 命名空间的内容引入当前作用域，使用起来最方便。但在大型项目中，这种做法可能会导致名字冲突，因此很多人推荐只在小程序或函数内部使用。

---

常用的标准库头文件

标准库被组织成多个头文件，每个头文件提供特定的功能：

头文件	功能
<iostream>	输入输出流
<string>	字符串类
<vector>	动态数组
<array>	固定大小数组（C++11）
<list>	双向链表
<map>	关联容器（键值对）
<set>	集合容器
<algorithm>	常用算法（排序、查找等）
<cmath>	数学函数
<cstdlib>	通用工具函数
<fstream>	文件输入输出
<sstream>	字符串流
<memory>	智能指针
<utility>	实用工具（如 pair）

要使用某个功能，首先需要包含对应的头文件：

#include <string>
#include <vector>
#include <algorithm>

---

一个简单的例子

让我们用标准库编写一个程序，读取一些数字，排序后输出：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;

int main()
{
    vector<int> numbers;  // 动态数组
    int n;
    
    cout << "请输入一些数字（输入非数字结束）：" << endl;
    while (cin >> n)
    {
        numbers.push_back(n);  // 将数字添加到数组末尾
    }
    
    sort(numbers.begin(), numbers.end());  // 排序
    
    cout << "排序后的结果：" << endl;
    for (int x : numbers)
    {
        cout << x << " ";
    }
    cout << endl;
    
    return 0;
}

在这个例子中，我们用到了：

• vector：动态数组，可以自动扩展大小

• push_back：向数组末尾添加元素

• sort：排序算法

• begin() 和 end()：返回迭代器，表示容器的起始和结束位置

• 范围 for 循环（for (int x : numbers)）：遍历容器中的所有元素

看到了吗？使用标准库，我们只需几行代码就实现了数组的动态管理和排序，而不需要自己编写复杂的数据结构和算法。

---

数学函数

<cmath> 头文件提供了常用的数学函数：

#include <iostream>
#include <cmath>
using namespace std;

int main()
{
    cout << "sqrt(16) = " << sqrt(16) << endl;      // 平方根，输出 4
    cout << "pow(2, 10) = " << pow(2, 10) << endl;  // 幂运算，输出 1024
    cout << "abs(-5) = " << abs(-5) << endl;        // 绝对值，输出 5
    cout << "sin(0) = " << sin(0) << endl;          // 正弦，输出 0
    cout << "log(2.718) = " << log(2.718) << endl;  // 自然对数，约为 1
    cout << "ceil(3.2) = " << ceil(3.2) << endl;    // 向上取整，输出 4
    cout << "floor(3.8) = " << floor(3.8) << endl;  // 向下取整，输出 3
    cout << "round(3.5) = " << round(3.5) << endl;  // 四舍五入，输出 4
    return 0;
}

---

为什么要学习标准库

1. 提高效率：不需要重复造轮子，专注于业务逻辑。

2. 代码质量：标准库经过广泛测试，比自己实现更可靠。

3. 可移植性：标准库在所有支持 C++ 的平台上都可用。

4. 性能优化：标准库的实现通常经过高度优化。

学习使用标准库，是成为一名合格 C++ 程序员的必经之路。

在接下来的章节中，我们将详细学习标准库中最常用的几个组件：字符串、向量、迭代器和数组。它们是处理数据的基础工具，掌握了它们，你就能更加得心应手地编写 C++ 程序。

---

习题

• 使用 <cmath> 中的函数，编写一个程序计算直角三角形的斜边长度（已知两条直角边）。

• 使用 vector 和 sort，编写一个程序对用户输入的字符串按字母顺序排序。