std::cout是如何实现的？protected构造下它如何被实例化？

std::cout是std::ostream的实例，在GCC 7的头文件/usr/include/c++/7/iostream中可以看到它的声明：

extern ostream cout;      /// Linked to standard output

其中std::ostream是类型别名，本质是typedef std::basic_ostream<char> std::ostream。

尝试直接在用户代码中创建std::ostream实例会编译失败，测试代码如下：

#include<iostream>

int main()
{
    std::ostream os;
    return 0;
}

在GCC 4.9环境下编译上述代码，会抛出如下错误：

In file included from /opt/compiler-explorer/gcc-4.9.0/include/c++/4.9.0/iostream:39:0,
                 from <source>:1:
/opt/compiler-explorer/gcc-4.9.0/include/c++/4.9.0/ostream: In function 'int main()':
/opt/compiler-explorer/gcc-4.9.0/include/c++/4.9.0/ostream:384:7: error: 'std::basic_ostream<_CharT, _Traits>::basic_ostream() [with _CharT = char; _Traits = std::char_traits<char>]' is protected
       basic_ostream()
       ^
<source>:5:18: error: within this context
     std::ostream os;
                  ^

从报错可以看到，std::basic_ostream的无参构造函数被标记为protected，用户代码没有权限调用，这就引出了核心疑问：标准库是如何创建std::cout实例的？

查阅公开的标准库文档，仅能找到关于std::cout的高层行为描述，没有说明具体实现逻辑：

全局对象std::cout和std::wcout控制输出到实现定义类型的流缓冲区（派生自std::streambuf），该缓冲区与标准C输出流stdout关联。

实现原理 #

这里的认知误区很容易被点破：受保护的仅仅是std::basic_ostream的无参构造函数，这个类还提供了公有的带参构造函数。
std::basic_ostream有一个公有构造函数，接收std::basic_streambuf类型的指针作为参数。标准库初始化std::cout时，根本不会调用那个受保护的无参构造：

• 首先在标准库内部实现中，会先构造一个派生自std::basic_streambuf的自定义流缓冲区实例，这个缓冲区的内部逻辑封装了和C标准流stdout的交互，属于实现定义的内部类型，不对外暴露。
• 之后将这个内部流缓冲区实例的指针作为参数，调用std::basic_ostream的公有构造函数，就完成了std::cout的初始化。

用户代码中直接写std::ostream os;会报错，是因为这个写法默认调用无参构造函数，而这个无参构造的设计初衷就是给标准库内部的派生流类（比如同时支持读写的std::iostream）使用的，普通用户本来就不应该创建没有绑定任何底层缓冲区的空std::ostream对象，所以被设计为protected权限完全合理。

注：上述分析思路由Nathan Pierson提供。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者John