C++ 中的 std::codecvt::out 和 do_out

本文将结合其特点、示例、优点和缺点，讨论 C++ 中的 Std::codecvt_out 和 std::do_out 函数。

引言

自 C++ 诞生以来，文本处理和字符编码一直是其核心。随着语言的发展，其处理文本的方法也随之发展，从而引入了 <codecvt> 头文件及其功能。

历史

该 <codecvt> 头文件在 C++11 标准中引入，旨在提供一个通用的接口来转换字符编码。在此之前，开发人员使用特定于平台或第三方库来处理字符编码转换，导致代码不便携且存在兼容性问题。

问题陈述

在许多情况下，需要进行字符编码转换，尤其是在涉及文本输入/输出操作的应用程序中。假设有一个场景，C++ 程序需要从文件中读取 UTF-8 编码的文本数据并进行处理，但程序内的字符在内部使用另一种编码（如 UTF-16）表示。没有基于标准的机制，开发人员将很难在这些编码之间进行转换；因此，他们将需要临时解决方案，这些方案容易出错且笨拙。

解决方案：std::codecvt

为了解决这个问题，C++ 标准库引入了 std::codecvt facet，它充当不同字符编码之间的链接。此方面包括在宽字符和多字节表示之间转换字符，从而允许程序员轻松且便携地进行编码转换。

理解 std::codecvt::out 和 do_out

std::codecvt 函数提供了几个用于执行编码转换的成员函数，例如 out 和 do_out。这些函数负责将字符从内部宽字符表示转换为外部多字节表示。

• out：调用此成员函数将一系列宽字符转换为一系列 多字节字符。它接受三个参数，即表示转换状态的状态对象、指向宽字符序列起点的源指针，以及指向宽字符序列终点的源结束指针。该函数返回一个指针对，表示生成的多字节序列的开始和结束点。
• do_out：派生类重写此虚拟成员函数；它执行从宽字符到多字节字符的实际转换。与 out 相同，它也接收相同的参数并返回相同的指针对，该指针对表示由此产生的多字节序列。

根据 std::codecvt 提供的字符编码转换标准接口，C++ 程序的各个部分可以在底层使用不同的字符编码协同工作。

示例

让我们看一个示例来说明 C++ 中的 codecvt::out 和 codecvt::do_out。

输出

UTF-8 String: Hello, 你好, مرحبا

说明

1. 宽字符和多字节字符

• 宽字符：它使用一个以上字节表示字符，通常每个字符使用 16 或 32 位。在 C++ 中，宽字符使用 wchar_t 类型表示。
• 多字节字符：它使用可变数量的字节表示字符，例如 UTF-8 编码，其中字符可以长 1 到 4 个字节。

2. std::codecvt Facet

• std::codecvt 是 C++ 标准库本地化库的一个功能，它促进字符编码转换。
• 它提供了 out 和 do_out 等成员函数，用于将宽字符序列转换为多字节字符。

3. std::codecvt::out

• out 是 std::codecvt 的一个特定函数，用于一次将多个宽字符转换为某些多字节字符。
• 它需要两个指针来指示这些序列的开始和结束位置。

4. std::codecvt::do_out

• do_out 是 std::codecvt 中的一个虚函数，它执行从宽字符到多字节字符的实际转换。通常，派生自它的类将重写此函数，以实现任何一种字符编码所需的特定转换逻辑。

使用 std::codecvt::out 和 std::codecvt::do_out

当开发人员想要在 UTF-8、UTF-16 或旧编码等各种字符编码之间更改文本数据时，他们会使用 std::codecvt 及其成员函数。

在涉及文件 I/O、网络通信或与外部库交互的 C++ 程序中处理文本数据时，此步骤很重要，因为它确保了它们之间的兼容性和互操作性。

std::codecvt::out 和 std::codecvt::do_out 的优点

std::codecvt::out 和 std::codecvt::do_out 的优点如下：

• 标准库支持：C++ 标准库中存在 std::codecvt_utf8，为 UTF-8 编码和解码提供了统一的跨平台解决方案，从而消除了对外部依赖的依赖。
• 便捷性：它展示了将宽字符字符串 (std::wstring) 与 UTF-8 编码字符串 (std::string) 之间进行转换的简单代码。它使用 std::wstring_convert 等标准库构造。因此，易于理解和维护。
• 效率：尽管 std::codecvt_utf8 在许多情况下效率相当不错，但它可能不如更专业的库。它使用标准库的优化实现，在大多数情况下应该足够好。
• 区域设置集成：该代码使 UTF-8 编码与 C++ 区域设置框架兼容。这意味着通过将全局区域设置设置为 UTF-8，所有文本输入/输出操作将根据区域设置的特定约定和字符编码在任何地方都以相同的方式运行。
• 灵活性：尽管代码仅处理 utf-8 编码，但 std::codecvt_utf8 允许在宽字符字符串和 utf-8 编码字符串之间进行双向转换。借助此功能，可以通过不同方式处理文本，例如 读/写 文件或使用标准化接口与外部系统协同工作。
• 跨平台兼容性：由于整个程序使用了标准的 C++ 函数和库，因此该程序可以在各种操作系统和编译器上保持不变。因此，如果我们使用 C++ 处理项目中的 utf8 文本，它将在任何地方无缝运行，轻松实现跨平台。

std::codecvt::out 和 std::codecvt::do_out 的缺点

std::codecvt::out 和 std::codecvt::do_out 的缺点如下：

• C++17 中已弃用，C++20 中已移除：标准库自 C++17 起已将 std::codecvt_utf8 标记为弃用，并在 C++20 中将其移除，因为它对使用有限制。这是转向当前可用的更现代、更高效的文本处理方式的一种方式。
• 性能开销：如果我们处理大量文本，std::codecvt_utf8 可能会严重影响性能。在 UTF-8 (std::string) 和宽字符字符串 (std::wstring) 之间进行转换可能意味着大量不必要的内存分配和复制，这可能会严重影响需要快速运行的任何应用程序的性能。
• 编码支持有限：std::codecvt_utf8 仅支持 UTF-8 编码/解码；不识别其他字符编码或转换场景。为了处理不同的编码或对文本执行特殊操作，开发人员将不得不寻找替代库或创建自己的解决方案。
• 复杂性和僵化：对于那些没有太多处理本地化应用程序或编码系统经验的人来说，尝试将 std::codecvt_utf8 集成到程序中可能会感到有些困难。尽管看起来此类类在处理异常字符集或非标准用法模式方面应该非常灵活。
• 取决于设置：std::codecvt_utf8 的行为可能因应用程序运行的系统或环境的区域设置配置而异。这可能导致不一致或意外行为，尤其是在跨平台或分布式应用程序中。
• 弃用和移除：如前所述，当 std::codecvt_utf8 被弃用并从 C++ 标准库中移除时，这表明它不再被认为是处理 UTF-8 编码文本的最佳解决方案。开发人员应转向其他文本处理方法，这些方法可提供更高的性能、灵活性，并与现代 C++ 标准更好地兼容。

结论

总而言之，<codecvt> 头文件及其相关的 std::codecvt 函数，通过提供一种行业通用的字符编码转换方法，在现代 C++ 编程中发挥着重要作用。通过使用 out() 和 do_out() 实现宽字符和多字节表示之间的转换，它促进了跨平台的便携性，同时确保了不同环境的互操作性。随着 C++ 的不断发展，仍然需要像 std::codecvt 这样的标准化方法来处理文本，以便我们的应用程序在保持健壮的同时在任何地方都能正常工作。