C++ 標準庫精要：從 C++98 到 C++11 核心特性與 STL 完整指南

前言

本文整理自《The C++ Standard Library 2nd edition》及 cppreference，系統梳理 C++98/11 新增語言特性、標準庫組件、STL 容器/迭代器/算法體系、異常體系、輸入輸出流等核心知識點，供進階學習與速查參考。

一、C++98/11 關鍵語言特性演進

C++98 引入

• 非類型模板參數：template<size_t N> class bitset;
• 默認模板參數：template<typename T, typename Alloc = allocator<T>> class vector;
• typename 關鍵字、成員模板、嵌套類模板、基本類型值初始化 T()。

C++11 重大更新

二、標準庫核心組件速覽

命名空間

std, std::chrono, std::regex_constants, std::placeholders, std::this_thread 等。

異常繼承體系

exception
├─ logic_error        (domain_error, invalid_argument, length_error, out_of_range)
├─ runtime_error      (range_error, overflow_error, underflow_error)
├─ bad_alloc
├─ bad_cast
├─ bad_typeid
├─ bad_exception
└─ ios_base::failure

C++11 棄用動態異常規範，改用 noexcept。

Utilities 實用工具

• 智能指針：unique_ptr（獨佔）、shared_ptr（共享，需配合 enable_shared_from_this）、weak_ptr（打破循環引用）。
• 類型特徵：<type_traits> 提供編譯期類型查詢/轉換（is_integral, remove_reference, add_rvalue_reference 等）。
• 函數包裝：function<R(Args...)>、bind、mem_fn。
• 時間/比率：<chrono>（時鐘/時長/時間點）、<ratio>（編譯期有理數運算）。

三、STL 容器·迭代器·算法

容器分類

迭代器分類與能力

OutputIterator  → 單向寫 (ostream_iterator)
InputIterator   → 單向讀 (istream_iterator)
ForwardIterator → 多遍前向讀 (forward_list, unordered_*)
Bidirectional   → 雙向讀 (list, map/set)
RandomAccess    → 隨機訪問 (vector, deque, string, array)

常用算法分類 (<algorithm>)

• 非修改序列：find, count, equal, mismatch, search
• 修改序列：copy, transform, replace, remove, fill, generate
• 分區/排序：partition, sort, stable_sort, nth_element
• 二分查找：lower_bound, upper_bound, equal_range, binary_search
• 集合操作：set_union, set_intersection, set_difference
• 堆操作：make_heap, push_heap, pop_heap, sort_heap
• 極值：min_element, max_element, minmax_element

注意：remove 並不真正刪除元素，只是將目標元素移至末尾並返回新尾迭代器，需配合 erase 使用。

四、輸入輸出流體系

ios_base
├─ basic_ios<CharT, Traits>
   ├─ basic_istream<CharT, Traits>  → istream, wistream
   ├─ basic_ostream<CharT, Traits>  → ostream, wostream
   └─ basic_iostream<CharT, Traits> → iostream, wiostream

全局對象：cin, cout, cerr, clog。流狀態標誌：good(), eof(), fail(), bad()。操縱子：hex, dec, oct, fixed, scientific, setprecision, setw, setfill。

五、可調用對象與函數式編程

Callable 概念：函數指針、函數引用、成員函數指針、數據成員指針、仿函數（重載 operator()）、Lambda。標準庫以 std::function、std::bind、std::thread 統一接受 Callable。

六、學習建議與參考資源

1. 先掌握容器選型原則：隨機訪問用 vector/deque，頻繁中間插刪用 list/forward_list，鍵值查找用 map/unordered_map。
2. 理解迭代器失效規則（vector 擴容、deque 分段存儲、list 節點穩定）。
3. 善用 <algorithm> 避免手寫循環；組合算法解決複雜問題。
4. 智能指針優先：unique_ptr 為默認選擇，shared_ptr 僅在共享所有權時使用。
5. 參考書籍：《The C++ Standard Library》Nicolai Josuttis；《Effective Modern C++》Scott Meyers。在線權威：cppreference.com。