C++的manipulator（控制符）的工作原理

如果要简单打印一个bool值：

std::cout << true;

结果是1，也就是true这个literal的字节存储表示。

但是有时候我们希望打印出来“true”，可以这么写：

std::cout << std::boolalpha << true;

其中std::boolalpha属于一类叫做manipulator（控制符）的函数，原型是：

ios_base& std::boolalpha(ios_base& str);

这个函数的作用是改变输入输出流str的格式属性，使其之后在遇到bool参数时以文本方式处理。注意这个状态的变更是持久的，之后所有std::cout的输出都会受到影响，直到再调用std::noboolalpha()恢复。

这里最让人困惑的，就是这个函数在上面使用的时候，看起来并不像一个函数，因为没有括号，而且参数也没看到。

先看看正常的写法：

std::boolalpha(std::cout);
std::cout << true;

这么写很好理解，先改变状态，然后打印。结果是一致的。

那最初的写法是什么原理呢？

在Visual Studio里面跟踪操作符<<的定义，发现它是basic_ostream类的这么一个重载方法：

basic_ostream& __CLR_OR_THIS_CALL operator<<(ios_base&(__cdecl* _Pfn)(ios_base&) ) { // call ios_base manipulator
    _Pfn(*this);
    return *this;
}

原来<<接受的是一个函数指针，这个函数的参数和返回值都是ios_base的引用。里面只是简单地调用了一下这个函数而已。

我们可以换个写法验证一下：

std::ios_base& (*func)(std::ios_base&) = std::boolalpha;
std::cout << func << true;

这里我们先存储函数指针到func，然后再传进来，最终结果也是一样的。

另外，std::endl也是一种manipulator，甚至我们还能定义自己的manipulator，只要符合同样的函数声明。

扩展：

上述的manipulator是无参的，实际上还有带参的，例如常见的std::setprecision(n)，这个似乎没法通过函数指针来解释了。

首先看它的声明：

_Smanip<long long> setprecision(long long n);

和之前不太一样，参数只有一个n，返回的是这个东西：

// STRUCT TEMPLATE _Smanip
template <class _Arg>
struct _Smanip { // store function pointer and argument value
    _Smanip(void(__cdecl* _Left)(ios_base&, _Arg), _Arg _Val) : _Pfun(_Left), _Manarg(_Val) {}

    void(__cdecl* _Pfun)(ios_base&, _Arg); // the function pointer
    _Arg _Manarg; // the argument value
};

简单来说，就是返回了两个信息：一个函数指针，一个参数n。

最后再看看<<操作符：

template <class _Elem, class _Traits, class _Arg>
basic_ostream<_Elem, _Traits>& operator<<(basic_ostream<_Elem, _Traits>& _Ostr,
    const _Smanip<_Arg>& _Manip) { // insert by calling function with output stream and argument
    (*_Manip._Pfun)(_Ostr, _Manip._Manarg);
    return _Ostr;
}

和之前无参的<<不同，这个<<是全局函数，而不是某个类的成员函数，因此有两个参数：第一个参数对应我们的std::cout，第二个参数就是setprecision()的返回值。

里面实现很简单：调用相应函数，将流和n作为参数传递进去。

其实大体上还是类似，仍然是基于函数指针，只是将参数封装了一下。

总结一下：manipulator是C++IO标准库里面的一类特殊函数（不属于C++语言特性），作用是修改输入输出流的状态，这类函数可以通过<<操作符传递函数指针的方式来简化语法。

参考：

https://en.cppreference.com/w/cpp/io/manip