如何在 C++20 中使用 std::format 实现多语言字符串格式化？

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在现代 C++ 中，std::format 提供了类似 Python str.format() 的功能，用于安全、类型检查的字符串格式化。它位于 <format> 头文件，已在 C++20 标准中正式加入。下面我们从基础语法、参数定位、宽字符支持、Unicode 处理以及跨平台的实战案例四个方面，系统阐述如何在项目中使用 std::format 来实现多语言字符串格式化，并给出完整示例代码。

1. 基础语法

#include <format>
#include <string>

std::string greeting = std::format("你好，{}！今天是第{}天。", name, day);
  • 占位符 {}：与 printf 的 %s、%d 等不同，{} 可以根据后续参数自动推断类型，无需显式指定。
  • 命名占位符 {name}：可直接使用字段名来引用结构体成员或 std::map 的键，增加可读性。
  • 位置占位符 {0}、{1}：显式指定参数顺序，适用于多语言模板中同一个字符串不同语言顺序的情况。

示例：位置占位符

std::string template_zh = "你好，{0}！你已完成第{1}个任务。";
std::string template_en = "Hello, {0}! You have completed {1} tasks.";

std::string zh = std::format(template_zh, "张三", 5);
std::string en = std::format(template_en, "John", 5);

2. 参数定位与可变参数

std::format 可以接受任意数量的参数，且参数类型支持 std::integral、std::floating_point、std::string_view、std::chrono 等，甚至自定义类型（只需实现 format_to 受支持的概念）。下面演示自定义类型的格式化：

struct Point { double x, y; };

template <typename FormatContext>
auto format_to(FormatContext& ctx, const Point& p) {
    return format_to(ctx.out(), "({:.2f}, {:.2f})", p.x, p.y);
}

使用时：

Point pt{3.1415, 2.71828};
std::string s = std::format("点坐标为 {}。", pt);  // 输出: 点坐标为 (3.14, 2.72)。

3. 宽字符与 Unicode

C++20 中的 std::format 支持宽字符（std::wstring、std::u16string、std::u32string）以及 char32_t 字符串。若要在多语言项目中使用 Unicode，只需确保模板字符串为对应宽字符类型即可：

std::wstring fmt = L"用户 {}（{}）在 {} 分钟内完成任务。";
std::wstring result = std::format(fmt, L"张三", L"管理员", 15);

如果使用 UTF‑8 编码的 std::string，std::format 也能直接处理 Unicode 字符串，只要编译器支持 C++20 的 UTF‑8 字面量：

std::string fmt = u8"用户 {}（{}）在 {} 分钟内完成任务。";
std::string result = std::format(fmt, u8"张三", u8"管理员", 15);

4. 多语言支持的实战案例

4.1 资源文件设计

在多语言项目中，通常将所有文本存放在资源文件（如 JSON、YAML、数据库等）。下面给出一个简易 JSON 示例（strings.json）：

{
  "task_completed": {
    "zh": "恭喜，{0}！您已完成第{1}个任务。",
    "en": "Congratulations, {0}! You have completed {1} tasks."
  }
}

4.2 代码实现

#include <format>
#include <string>
#include <unordered_map>
#include <fstream>
#include <nlohmann/json.hpp>  // 需要安装 nlohmann/json

class LangManager {
public:
    LangManager(const std::string& file) {
        std::ifstream in(file);
        nlohmann::json j;
        in >> j;
        for (auto& [key, value] : j.items()) {
            for (auto& [lang, tmpl] : value.items()) {
                templates_[key][lang] = tmpl.get<std::string>();
            }
        }
    }

    std::string format(const std::string& key,
                       const std::string& lang,
                       const std::vector<std::string>& args) const {
        const auto& tmpl = templates_.at(key).at(lang);
        // 先把字符串格式化为 std::string
        std::string result = tmpl;
        for (size_t i = 0; i < args.size(); ++i) {
            std::string placeholder = "{" + std::to_string(i) + "}";
            result.replace(result.find(placeholder), placeholder.length(), args[i]);
        }
        return result;
    }

private:
    std::unordered_map<std::string,
        std::unordered_map<std::string, std::string>> templates_;
};

int main() {
    LangManager lm("strings.json");
    std::vector<std::string> args = {"张三", "5"};
    std::string zh = lm.format("task_completed", "zh", args);
    std::string en = lm.format("task_completed", "en", args);

    std::cout << zh << "\n" << en << "\n";
}

注意：上述示例为了演示而使用了简易占位符替换，实际项目中建议直接使用 std::format 对模板字符串进行格式化，以获得类型安全和格式化选项支持。

4.3 std::format 与多语言模板结合

如果项目需要在资源文件中直接使用 std::format 的占位符 {} 或 {0}，可以在运行时调用 std::format：

#include <format>
#include <iostream>
#include <unordered_map>

int main() {
    std::unordered_map<std::string, std::string> templates = {
        {"task_completed_en", "Congratulations, {0}! You have completed {1} tasks."},
        {"task_completed_zh", "恭喜，{0}！您已完成第{1}个任务。"}
    };

    std::string tmpl = templates["task_completed_zh"];
    std::string result = std::format(tmpl, "张三", 5);
    std::cout << result << '\n';
}

使用 std::format 的好处：

  • 类型安全：编译期检查参数类型，避免因格式错误导致的运行时崩溃。
  • 性能：std::format 使用 std::string_view、std::format_to，相比 sprintf 更高效。
  • 可读性：占位符语义清晰，可直接定位位置。

5. 性能与兼容性

特性 描述 建议
可移植性 标准库实现在 GCC 10+、Clang 11+、MSVC 19.30+ 确认编译器已启用 -std=c++20 或更高
性能 对小字符串使用 stack buffer；对大字符串使用动态分配 对高频日志，可预先构造模板或使用 std::format_to 写入缓冲区
回退方案 若编译器不支持 std::format 使用 fmt 库（<fmt/core.h>）与 std::format 语法兼容

Tip：如果你在旧项目中需要 std::format 的功能，最简单的办法是直接引入 fmt 库，它在 C++20 后被标准化，并且 API 与 std::format 完全兼容。

6. 结语

std::format 为 C++20 引入的强大字符串格式化工具，在多语言项目中具有显著优势：类型安全、易读、性能优越。通过将模板字符串放入资源文件，并在运行时利用 std::format 进行参数填充，你可以轻松实现跨语言、跨平台的文本输出。希望本篇文章能帮助你快速上手，并将 std::format 融入到你的项目中。祝编码愉快！

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