C++ 进阶（22）：格式化库——format 深入、自定义格式化、性能

更新时间：2026-09-01。本文是 languages/cpp/intermediate/ 进阶第 22 篇，接 filesystem 文件系统。C++20 引入了 <format> 库，基于 Python 的 format 语法。类型安全、可读性好、性能接近 printf。C++23 又加了 std::print。

本文要回答的问题

• format 的基本语法是什么？{} 占位符怎么用？
• 格式说明符（对齐、填充、精度、进制）怎么用？
• 自定义类型怎么支持 format？
• 性能和 printf、iostream 比怎么样？

一、基本用法

#include <format>
#include <print>  // C++23

// 基本格式化
auto s = std::format("Hello, {}!", "world");
// "Hello, world!"

// 多个参数
auto s = std::format("{} + {} = {}", 1, 2, 3);
// "1 + 2 = 3"

// 位置参数
auto s = std::format("{1}, {0}, {1}", "a", "b");
// "b, a, b"

// C++23 print 直接输出
std::print("Hello, {}!\n", "world");
std::println("Pi is {}", 3.14159);

二、格式说明符

// 宽度和对齐
std::format("{:10}", "hello");    // "hello     "（左对齐，默认）
std::format("{:<10}", "hello");   // "hello     "（左对齐）
std::format("{:>10}", "hello");   // "     hello"（右对齐）
std::format("{:^10}", "hello");   // "  hello   "（居中）
std::format("{:*^10}", "hello");  // "**hello***"（填充字符）

// 数字格式
std::format("{:d}", 42);          // "42"（十进制）
std::format("{:x}", 255);         // "ff"（十六进制小写）
std::format("{:X}", 255);         // "FF"（十六进制大写）
std::format("{:o}", 255);         // "377"（八进制）
std::format("{:b}", 255);         // "11111111"（二进制，C++23）

// 浮点数
std::format("{:.2f}", 3.14159);   // "3.14"（2 位小数）
std::format("{:.0f}", 3.14);      // "3"（0 位小数）
std::format("{:.3e}", 3.14159);   // "3.142e+00"（科学计数法）
std::format("{:.3g}", 3.14159);   // "3.14"（有效数字）

// 前导零
std::format("{:05d}", 42);        // "00042"
std::format("{:#x}", 255);        // "0xff"（带 0x 前缀）
std::format("{:#X}", 255);        // "0xFF"

// 正负号
std::format("{:+d}", 42);         // "+42"
std::format("{: d}", 42);         // " 42"（正数前加空格）

三、自定义类型格式化

struct Point {
    int x, y;
};

// 特化 std::formatter
template<>
struct std::formatter<Point> {
    char presentation = 'd';  // 默认格式

    // 解析格式说明符
    constexpr auto parse(auto& ctx) {
        auto it = ctx.begin();
        if (it != ctx.end() && (*it == 'd' || *it == 'x')) {
            presentation = *it;
            ++it;
        }
        if (it != ctx.end() && *it != '}') {
            throw std::format_error("invalid format for Point");
        }
        return it;
    }

    // 格式化输出
    auto format(const Point& p, auto& ctx) const {
        if (presentation == 'x') {
            return std::format_to(ctx.out(), "({:#x}, {:#x})", p.x, p.y);
        }
        return std::format_to(ctx.out(), "({}, {})", p.x, p.y);
    }
};

// 使用
Point p{10, 20};
std::println("{:d}", p);  // "(10, 20)"
std::println("{:x}", p);  // "(0xa, 0x14)"

四、性能对比

方法	速度	类型安全	可读性
printf	最快	❌ 不安全	❌ 差
iostream	慢	✅ 安全	❌ 差
format	接近 printf	✅ 安全	✅ 好

// format 的性能优化：用 format_to 避免分配
std::string buf;
std::format_to(std::back_inserter(buf), "{}", 42);
// 比 format 返回 string 少一次分配

五、常见坑对照

坑	现象	对策
格式说明符写错	编译错误或 format_error	检查说明符语法
参数个数不匹配	编译错误	保证 {} 数量匹配
浮点数精度位数	输出格式不对	用 .2f 指定小数位数
C++17 没有 format	找不到头文件	用 fmt 库或升级到 C++20

相关与延伸

下一篇：随机数库——random 深入；C 的 printf 格式化，见 C printf 格式化。

一句话总结

C++ format 库：std::format 类型安全、可读性好、性能接近 printf；{:10} 宽度对齐，{:.2f} 浮点数精度，{:x} 十六进制，{:#x} 带 0x 前缀；自定义类型特化 std::formatter 实现 parse 和 format；C++23 的 std::print 直接输出；format_to 避免分配，性能更好。