C 快速上手數值轉換字串方法小結

stringstream

to_string

c++17的std::to_chars

效能對比

在c++程式設計中，我們經常遇到的乙個基礎問題是型別轉換，比如將某個數值型別的變數（整型或者浮點型）轉換成文字字串的一部分展示給使用者，這個時候我們就需要將數值型別轉換成字串。特別是這種轉換十分頻繁的時候，我們希望轉換的方式是不容易出錯且效率非常高的。在這篇文章中，我將系統地總結c++中將數值型別轉換成字串的各種方法並從效率和**魯棒性的方面對各個方法進行比較。

在c++17之前我們主要有如下集中方式將數值型別轉換為字串：

std::sprintf 和std::snprintf包含在標頭檔案中，函式簽名如下：

int sprintf( char* buffer, const char* format, ... );
int snprintf( char* buffer, std::size_t buf_size, const char* format, ... );

其中，buffer是指向目標字串位址的指標，format是以「%d」開頭，以「\0」結尾的c風格字串，定義數值以何種方式輸出到目標字串中。sprintf將數值轉換成「format」字串定義格式的字串並在末尾加上null terminator，最後寫入到buffer指定的字串儲存空間中。這種方法的乙個顯著問題是sprintf函式本身不負責任何的記憶體管理，因此這種方法比較發生寫越界的錯誤。

為了提高寫入安全性，c++11引入了snprintf，相比較sprintf，這個函式多了buf_size這個引數來指定寫入buffer的字串的最大長度：最多buf_size - 1個字元（不包含結尾的null terminator）會被寫入buffer的位址空間。

兩個函式的函式返回值均為轉換後除去null terminator的字元個數，對於snprintf，如果返回值小於buf_size，則buffer中只會寫入部分轉換後的字串。在出錯的情況下函式返回 -1。

#include #include #include std::string str(15, ' ');
uint32_t integer = 100;
auto result_1 = sprintf(str.data(), "%d", interger);
auto result_2 = snprintf(str.data(), str.size(), "%d", integer);

stringstream包含在標頭檔案當中，利用stringstream可以方便的以流運算子 << 將數值以各種格式或者進製寫入stringstream物件中，不用擔心寫越界的問題，同時可方便地與其他字串拼接在一起。但是相對於其他轉換方法stringstream的效率比較低，一方面寫入時的動態記憶體分配需要一定的開銷，另一方面其成員函式str()在取出字串時會進行一次字串的值拷貝操作。

#include std::stringstream ss;
std::string result;
uint32_t integer = 100;
ss << std::hex << integer << " is a hex number.";

c++11提供了std::to_string來將數值轉換成字串，std::to_string包含在標頭檔案中，該函式對多種數值型別進行了過載，使用起來非常方便，可以看作是sprintf 「c++化」的使用方法，因為它具備了根據型別處理，丟擲異常以及自動記憶體管理。缺點同樣是字串動態記憶體分配帶來的開銷和可能丟擲異常，另外std::to_string在轉換格式上依賴於執行環境的設定並不能進行精確控制，如在進行浮點數轉換時無法指定精度，可能會出現和想象中不一樣的結果。std::to_string最大的好處還是提現在易用性上面。

std::string to_string( int value );
std::string to_string( long value );
std::string to_string( long long value );
std::string to_string( unsigned value );
std::string to_string( unsigned long value );
std::string to_string( unsigned long long value );
std::string to_string( float value );
std::string to_string( double value );
std::string to_string( long double value );

c++17中提供了更為高效和安全的std::to_chars，對整型和浮點數型別進行了過載。包含在標頭檔案中。

對於整數型別，函式宣告如下：

std::to_chars_result to_chars(char* first, char* last, type value, int base = 10);

type可以是所有的有符號和無符號整型型別。base是2～36之間的數，表示轉換後字串的進製，因此轉換後的字串中大於9的數字用a~z的小寫字母表示。

浮點數的函式宣告包含更多的引數：

std::to_chars_result to_chars(char* first, char* last, float_type value);

float_type可以表示float, double以及long double。呼叫這個函式將使用預設的「c」轉換的設定，相當於使用%f或者%e格式說明符來進行型別轉換。

to_chars還提供如下宣告：

std::to_chars_result to_chars(char* first, char* last, float_type value,
std::chars_format fmt);

使用者可以通過fmt字串來指定輸出格式。

完成版本的浮點數型別的to_chars宣告如下，使用者可以通過precision變數進一步指定轉換精度：

std::to_chars_result to_chars(char* first, char* last, float_type value,
std::chars_format fmt, int precision);

呼叫std::to_chars，若轉換成功，則轉換後的字串將寫入指標指向的[first, last)記憶體區間。

函式的返回值std::to_chars_result的定義如下：

struct to_chars_result ;

這個型別用來儲存轉換結果：

轉換成功：轉換後的字串結尾沒有 null-terminator。ptr將指向轉換後字串最後乙個字元的下乙個字元，同時ec將等於std::errc的預設值。

無效引數：ptr將等於first，同時ec等於std::errc::invalid_argument。

轉換後的字串越界：ec等於std::errc::value_too_large，同時記憶體區間[first, last)中的內容處於未知狀態。

#include #include // to_chars
#include int main()
; const int value = 2019;
const auto res = std::to_chars(str.data(),str.data() + str.size(), value);
if (res.ec == std::errc())
else
return 0;
}

執行結果如下：

輸入輸出

2019

2019**** filled: 4 characters

-2019

-2019****, filled: 5 characters

20192019

20192019, filled: 8 characters

-20192019

value too large! (the buffer is only 8 characters)

為了對比各種方法的執行效率，我進行了如下測試：

重複1000次

測試**中to_chars部分如下，完整**詳見benchmark：

template void run(const char* title, tfunc func) 
void benchmark(uint32_t times, uint32_t size) 
}});
}

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