重读《C++ Primer Plus》笔记之 cout与endl

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本文深入探讨了C++中的cout、'<<'运算符和endl的用法。cout是一个iostream头文件中定义的ostream类型对象，其地址可能位于堆中。'<<'是运算符重载，既可以用作成员方法，也可以是非成员方法。endl并非特定字符串，而是一个函数，通过'<<'重载实现输出换行，是C++中的manipulators之一。

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cout << "Hello World" << endl; 这几乎要成为所有刚学C++同学的第一行代码；可是回头来看，这一句里的问题可真不少，我先列一下我想到的：

cout是啥，关键字么？不是。那是普通变量？那它在哪定义的？是什么类型？在哪赋值的？
'<<'是啥？哦，可能是运算符重载
endl是啥？是个特定字符串么？

这些问题咱们来一个一个解决。

cout是啥

首先跳到cout的定义，在iostream头文件中：略去不重要的，加上点注释，代码如下（不同环境代码也可能不一样）

_LIBCPP_BEGIN_NAMESPACE_STD    // 在 __config 头文件中可以看到它的定义：#define _LIBCPP_BEGIN_NAMESPACE_STD namespace std {inline namespace _LIBCPP_NAMESPACE {

#ifndef _LIBCPP_HAS_NO_STDIN
extern _LIBCPP_FUNC_VIS istream cin;    // cin 在这里 类型为 istream
extern _LIBCPP_FUNC_VIS wistream wcin;
#endif
#ifndef _LIBCPP_HAS_NO_STDOUT
extern _LIBCPP_FUNC_VIS ostream cout;    // cout 在这里 类型为 ostream
extern _LIBCPP_FUNC_VIS wostream wcout;
#endif
extern _LIBCPP_FUNC_VIS ostream cerr;
extern _LIBCPP_FUNC_VIS wostream wcerr;
extern _LIBCPP_FUNC_VIS ostream clog;
extern _LIBCPP_FUNC_VIS wostream wclog;

_LIBCPP_END_NAMESPACE_STD    // 在 __config 头文件中可以看到它的定义：#define _LIBCPP_END_NAMESPACE_STD  } }

那大概cout应该就是在栈里（具体在内存中的位置还有待考究，目前通过gdb发现cout的地址和栈中普通int变量的地址相差挺远的，不过和一个新new出来的char[]地址很接近，难道是在堆中？它又不是指针，为什么呢？请高人指教！研究变量在内存中位置时发现了这篇文档和这个回答，感觉很赞。）的一个ostream类型的对象。（关于extern关键字，可以看这个回答，解释挺清晰的。extern的常用方法，参考这个问答和这个问答）关于cout这个对象在哪里被初始化的，据本人无根据的猜测应该是在glibc里边的某处，不过我还没找到对应的源码，有高人了解这里细节的话，请多多指教～（可以顺便去这个问题赚20积分）

'<<'是啥，确实是运算符重载

不过对'<<'的重载方法，有的是作为成员方法，有的并没有放在成员方法中。

作为成员方法的有：

    basic_ostream& operator<<(basic_ostream& (*__pf)(basic_ostream&));    // 这个方法注意一下，它是在 cout << endl; 时使用的
    basic_ostream& operator<<(basic_ios<char_type, traits_type>&
                              (*__pf)(basic_ios<char_type,traits_type>&));
    basic_ostream& operator<<(ios_base& (*__pf)(ios_base&));
    basic_ostream& operator<<(bool __n);
    basic_ostream& operator<<(short __n);
    basic_ostream& operator<<(unsigned short __n);
    basic_ostream& operator<<(int __n);
    basic_ostream& operator<<(unsigned int __n);
    basic_ostream& operator<<(long __n);
    basic_ostream& operator<<(unsigned long __n);
    basic_ostream& operator<<(long long __n);
    basic_ostream& operator<<(unsigned long long __n);
    basic_ostream& operator<<(float __f);
    basic_ostream& operator<<(double __f);
    basic_ostream& operator<<(long double __f);
    basic_ostream& operator<<(const void* __p);
    basic_ostream& operator<<(basic_streambuf<char_type, traits_type>* __sb);

非成员方法的典型（Hello World里最常用的输出字符串那个'<<'的重载就是非成员方法）：

template<class _Traits>
basic_ostream<char, _Traits>&
operator<<(basic_ostream<char, _Traits>& __os, const char* __str)
{
    return _VSTD::__put_character_sequence(__os, __str, _Traits::length(__str));
}

关于为什么不把它全部作为成员方法，这个问答和这篇文章给了一些解释，《Effective C++》中第23条也有相应的说明（我自己还要再消化一下）。

endl是啥？是个特定字符串么？不，是个函数！

来看一下endl的定义：

template <class _CharT, class _Traits>
inline _LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
basic_ostream<_CharT, _Traits>&
endl(basic_ostream<_CharT, _Traits>& __os)
{
    __os.put(__os.widen('\n'));
    __os.flush();
    return __os;
}

是不是和想象中相去甚远？第一次看到这里估计都会和我一样一头雾水，一个函数怎么能交给'<<'来输出呢？

这就要看一下'<<'的这一个重载：

template <class _CharT, class _Traits>
inline _LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
basic_ostream<_CharT, _Traits>&
basic_ostream<_CharT, _Traits>::operator<<(basic_ostream& (*__pf)(basic_ostream&))
{
    return __pf(*this);
}

这个重载方法接受一个函数指针，然后去执行这个函数（一个看似很简单的cout里居然还有这么骚的操作）。因为有了这个方法，所以像endl这样的方法又有了一个新的名字：manipulators（本人随便翻译下，就叫它操作符吧）。这里列出了所有的操作符。

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到这里大概就把之前我想到的几个问题回答得差不多了。有问题或者有指教欢迎在评论区讨论～