C++11 ＜array＞从入门到精通

一、引言

在C++编程中，数组是一种非常基础且重要的数据结构，它可以存储一组相同类型的元素。在C++11标准之前，开发者通常使用C风格数组来处理数组数据，但C风格数组存在一些问题，比如无法直接进行对象赋值、无法直接拷贝、数组名会退化为指针等，这些问题给开发带来了一定的困扰。为了解决这些问题，C++11标准引入了<array>头文件，提供了std::array容器，它是对C风格数组的改进和封装，具有更多的功能和安全性。本文将详细介绍std::array的相关知识，帮助小白从入门到精通。

二、std::array简介

2.1 定义

std::array是C++11标准库提供的一个固定大小的容器，用于存储特定类型的元素序列。它定义在<array>头文件中，是一个模板类，其基本定义如下：

template <typename T, std::size_t N>
class array;

其中，T表示数组中元素的类型，N表示数组的大小（即元素的个数）。

2.2 特点

• 固定大小：std::array的大小在创建时就已经确定，并且之后不能再改变。这种固定大小的特性使得std::array在内存使用上是高效的，因为它不需要动态分配内存或管理内存大小的变化。同时，由于其大小在编译时就已知，编译器可以进行一些优化，提高代码的执行效率。
• 类型安全：std::array强制类型检查，避免了C语言数组的类型不安全问题。它提供了at()函数来访问元素，同时提供边界检查以避免越界错误。
• 内存连续：std::array的元素在内存中是连续存储的，这使得它可以高效地访问元素。
• 标准容器接口：std::array提供了与std::vector类似的接口，如size()、at()、front()、back()等，使得对数组的操作更加便捷和安全。

2.3 与C风格数组的区别

比较项	std::array	C风格数组
大小	固定大小，在编译时确定	大小可以是动态的，在运行时可以根据需要分配和调整
内存分配	对象通常在栈上分配，生命周期与创建它的作用域相同	可以在栈上或堆上分配，取决于数组的声明方式
安全性和边界检查	提供边界检查，使用at()函数访问元素时，如果索引超出范围，程序会抛出异常	不提供边界检查，程序员必须自己确保不会访问数组的非法区域
使用便捷性	提供了许多便利的成员函数和迭代器，操作更加简单和直观	操作相对较为基础，没有提供这些便利的函数和迭代器
与STL算法的兼容性	作为STL容器，与STL算法完美兼容	虽然也可以与一些STL算法结合使用，但通常需要额外的处理或转换

三、std::array的基本操作

3.1 包含头文件

要使用std::array，需要包含头文件<array>：

#include <array>

3.2 声明与初始化

3.2.1 声明

声明一个std::array对象时，需要指定数组中的元素类型和数组的大小。声明的基本语法如下：

std::array<T, N> array_name;

其中，T是数组中元素的类型，N是数组的大小，必须是一个非负整数。

3.2.2 初始化

• 默认值初始化：如果不提供任何初始值，std::array中的元素将使用其类型的默认值进行初始化。

std::array<int, 5> myArray; // 所有元素将被初始化为随机值

• 列表初始化：可以使用花括号{}内的元素列表来初始化std::array。元素的数量必须与数组大小相匹配。

std::array<int, 5> myArray1 = {1, 2, 3, 4, 5};
std::array<int, 5> myArray2 {1, 2, 3, 4, 5};

• 使用std::fill：可以使用std::fill函数来设置std::array中所有元素的值。

std::array<int, 5> myArray;
std::fill(myArray.begin(), myArray.end(), 0); // 所有元素设置为0

3.3 访问元素

可以使用下标操作符[]或者at()成员函数来访问std::array中的元素。at()函数会进行边界检查，如果索引越界，会抛出std::out_of_range异常。

#include <iostream>
#include <array>int main() {std::array<int, 5> arr = {1, 2, 3, 4, 5};std::cout << "arr[0] = " << arr[0] << std::endl; // 使用下标操作符std::cout << "arr.at(2) = " << arr.at(2) << std::endl; // 使用at()函数try {std::cout << arr.at(5) << std::endl; // 超出范围，抛出异常} catch (const std::out_of_range& e) {std::cout << "Exception: " << e.what() << std::endl;}return 0;
}

3.4 遍历数组

std::array支持基于范围的for循环和迭代器，使得遍历元素变得非常方便。

3.4.1 基于范围的for循环

#include <iostream>
#include <array>int main() {std::array<int, 5> arr = {1, 2, 3, 4, 5};for (const auto& elem : arr) {std::cout << elem << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

3.4.2 迭代器遍历

#include <iostream>
#include <array>int main() {std::array<int, 5> arr = {1, 2, 3, 4, 5};for (auto it = arr.begin(); it != arr.end(); ++it) {std::cout << *it << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

四、std::array的常用成员函数

4.1 size()

返回数组的大小，即元素的数量。

#include <iostream>
#include <array>int main() {std::array<int, 5> arr = {1, 2, 3, 4, 5};std::cout << "Array size: " << arr.size() << std::endl;return 0;
}

4.2 front()和back()

front()返回数组的第一个元素的引用，back()返回数组的最后一个元素的引用。

#include <iostream>
#include <array>int main() {std::array<int, 5> arr = {1, 2, 3, 4, 5};std::cout << "First element: " << arr.front() << std::endl;std::cout << "Last element: " << arr.back() << std::endl;return 0;
}

4.3 data()

返回一个指向数组首个元素的指针。利用该指针，可以实现复制容器中所有元素等类似功能。

#include <iostream>
#include <array>int main() {std::array<int, 5> arr = {1, 2, 3, 4, 5};int* ptr = arr.data();for (int i = 0; i < arr.size(); ++i) {std::cout << *(ptr + i) << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

4.4 fill(const T& value)

将value这个值赋值给容器中的每个元素。

#include <iostream>
#include <array>int main() {std::array<int, 5> arr;arr.fill(10);for (const auto& elem : arr) {std::cout << elem << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

4.5 swap(array& other)

交换两个数组的内容，但前提是它们具有相同的长度和类型。

#include <iostream>
#include <array>int main() {std::array<int, 5> arr1 = {1, 2, 3, 4, 5};std::array<int, 5> arr2 = {5, 4, 3, 2, 1};arr1.swap(arr2);for (const auto& elem : arr1) {std::cout << elem << " ";}std::cout << std::endl;for (const auto& elem : arr2) {std::cout << elem << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

五、std::array的高级应用

5.1 与STL算法结合使用

由于std::array完全兼容STL（标准模板库），可以与其他STL算法和容器类无缝协作。例如，可以使用std::sort对数组进行排序。

#include <iostream>
#include <array>
#include <algorithm>int main() {std::array<int, 5> arr = {5, 3, 1, 4, 2};std::sort(arr.begin(), arr.end());for (const auto& elem : arr) {std::cout << elem << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

5.2 多维数组

可以使用std::array创建多维数组。例如，创建一个二维数组：

#include <iostream>
#include <array>int main() {std::array<std::array<int, 3>, 2> arr = {{ {1, 2, 3}, {4, 5, 6} }};for (const auto& row : arr) {for (const auto& elem : row) {std::cout << elem << " ";}std::cout << std::endl;}return 0;
}

六、std::array的优缺点和适用场景

6.1 优点

• 类型安全：std::array的大小是类型的一部分，因此不能创建大小不匹配的std::array对象，避免了一些潜在的错误。
• 性能：由于大小在编译时已知，编译器可以对std::array进行更多的优化，提高代码的执行效率。
• 接口丰富：std::array提供了许多有用的成员函数，如fill()、swap()等，这些函数让数组的操作更加便捷。

6.2 缺点

• 固定大小：std::array的大小在编译时就已确定，无法动态增加或减少元素，不适合需要动态调整数组大小的场景。
• 初始化：如果std::array在全局或命名空间作用域中定义，并且没有显式初始化，则所有元素都将被零初始化，这在某些情况下可能是不必要的或不方便的。

6.3 适用场景

当需要使用固定大小的数组，并且对性能和安全性有较高要求时，std::array是一个很好的选择。例如，在数学和科学计算中，表示向量和矩阵；在图形编程中，表示像素数据、纹理和颜色等。

七、总结

std::array是C++11引入的一个非常有用的容器，它结合了C风格数组的性能和可访问性以及容器的优点，提供了一种更安全、更灵活的方式来处理固定大小的数组。通过本文的介绍，相信小白们已经对std::array有了更深入的了解，能够在实际编程中熟练使用它。希望大家在使用std::array的过程中，能够充分发挥其优势，提高编程效率和代码质量。