STL容器之Array

std::array 是 C++11 引入的一个容器，提供了定长数组的封装，比传统的 C 风格数组更安全、更具可操作性。本文将详细剖析 std::array，从其定义、特性、用法到实践中的注意事项，力求为各个阶段的学习者提供全面而深入的指导。

一、`std::array` 概述

1.1 定义与作用

std::array 是一个定长、顺序、连续存储 的容器，封装了原生数组，提供了 STL 容器的接口和功能，如迭代器、大小查询等。它的大小在编译时确定，不能动态调整。

1.2 头文件与命名空间

要使用 std::array，需要包含头文件 <array>，并使用 std 命名空间。

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#include <array>

using namespace std;

二、`std::array` 的定义与基本用法

2.1 定义语法

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std::array<类型, 大小> 数组名;

类型：数组中元素的类型。
大小：数组的长度，必须是编译时常量。

2.2 示例

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

2.3 与原生数组的区别

安全性：std::array 提供了边界检查，如 at() 方法。
可操作性：支持 STL 容器的接口，如迭代器、算法等。
赋值与拷贝：std::array 支持拷贝赋值，而原生数组不支持直接赋值。

三、成员函数与操作

3.1 访问元素

operator[]：随机访问，不进行边界检查。

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int value = arr[2]; // 访问第 3 个元素

at()：随机访问，进行边界检查，越界时抛出 std::out_of_range 异常。
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int value = arr.at(2);
front()：返回第一个元素的引用。
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int &first = arr.front();
back()：返回最后一个元素的引用。
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int &last = arr.back();

3.2 大小与容量

size()：返回元素数量（固定的）。
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size_t n = arr.size(); // 等于 5
max_size()：返回最大可存储的元素数量。
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size_t max_n = arr.max_size(); // 等于 5

3.3 迭代器

begin()：返回指向第一个元素的迭代器。
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auto it = arr.begin();
end()：返回指向末尾后位置的迭代器。
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auto it_end = arr.end();
反向迭代器：rbegin()、rend()

3.4 数据访问

data()：返回指向内部数组的指针，可与 C 风格函数兼容。
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int *p = arr.data();

3.5 其他操作

fill()：将所有元素赋予相同的值。

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arr.fill(0); // 将所有元素置为 0

swap()：交换两个 std::array 的内容。

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std::array<int, 5> arr2 = {5, 4, 3, 2, 1};
arr.swap(arr2);

四、`std::array` 的高级用法

4.1 与算法库的结合

std::array 可以与 <algorithm> 中的算法结合使用。

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#include <algorithm>

std::array<int, 5> arr = {3, 1, 4, 1, 5};
std::sort(arr.begin(), arr.end()); // 对数组排序

4.2 多维数组

可以使用嵌套的 std::array 来创建多维数组。

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std::array<std::array<int, 3>, 4> matrix;

4.3 与 `std::vector` 的区别

大小：std::array 大小固定，std::vector 大小可动态调整。
性能：std::array 没有动态内存分配，性能更好。
使用场景：std::array 适用于大小固定的情况，std::vector 适用于需要动态调整大小的情况。

4.4 与 C 风格数组的互操作

通过 data() 方法，可以获取原生数组指针，与 C 风格函数兼容。

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void c_function(int *arr, size_t size);

std::array<int, 5> arr = {1, 2, 3, 4, 5};
c_function(arr.data(), arr.size());

五、注意事项

5.1 边界检查

operator[]：不进行边界检查，越界访问会导致未定义行为。
at()：进行边界检查，越界时抛出异常。

建议：在可能发生越界的情况下，优先使用 at() 方法。

5.2 大小必须是编译时常量

std::array 的大小在编译时确定，不能使用运行时变量。

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int n = 5;
std::array<int, n> arr; // 错误，n 必须是常量表达式

解决方案：如果需要在运行时确定大小，使用 std::vector。

5.3 初始化方式

列表初始化：

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

默认初始化：元素未初始化。
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std::array<int, 5> arr;
值初始化：所有元素初始化为默认值（对于基本类型为 0）。
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std::array<int, 5> arr = {};

5.4 与原生数组的大小比较

sizeof(arr) 返回整个 std::array 对象的大小，而原生数组可能退化为指针，sizeof 的结果不同。

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std::array<int, 5> arr;
std::cout << sizeof(arr) << std::endl; // 输出 20（假设 int 为 4 字节）

int c_arr[5];
std::cout << sizeof(c_arr) << std::endl; // 也输出 20

六、常见陷阱

6.1 忘记包含头文件

问题：未包含 <array> 头文件，导致编译错误。
解决方案：确保包含正确的头文件。

6.2 大小不匹配的拷贝

问题：尝试拷贝大小不同的 std::array，会导致编译错误。
解决方案：只有大小相同且元素类型相同的 std::array 才能相互赋值。

6.3 不使用 `std::array` 的优势

问题：使用 std::array 却仍然当作原生数组使用，未充分利用其安全性和功能性。
解决方案：充分利用 std::array 提供的成员函数和 STL 算法，提高代码质量。

七、拓展资料：关键概念解释

7.1 STL 容器概述

标准模板库（STL） 提供了一组通用的容器、算法和迭代器，用于高效地管理和操作数据。

序列式容器：如 std::vector、std::deque、std::list、std::array，用于按序存储元素。
关联式容器：如 std::map、std::set，用于按键值快速查找元素。

7.2 迭代器与算法

迭代器：提供了一种遍历容器元素的方式，类似于指针。
算法：STL 提供了一系列通用算法，如排序、查找、复制等，可与任何符合要求的容器和迭代器配合使用。

7.3 `std::array` 与 `std::vector` 的选择

std::array：
- 大小固定，内存连续，性能高，无额外的内存分配。
- 适用于需要确定大小的场景。
std::vector：
- 大小可变，支持动态添加和删除元素。
- 适用于需要灵活调整大小的场景。

八、示例代码

8.1 使用 `std::array` 计算平均值

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#include <iostream>
#include <array>
#include <numeric> // std::accumulate

int main() {
    std::array<double, 5> temperatures = {23.5, 25.0, 22.8, 24.1, 23.9};
    double sum = std::accumulate(temperatures.begin(), temperatures.end(), 0.0);
    double average = sum / temperatures.size();
    std::cout << "Average temperature: " << average << "°C" << std::endl;
    return 0;
}

8.2 使用 `std::array` 实现简单的矩阵相加

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#include <iostream>
#include <array>

const size_t ROWS = 2;
const size_t COLS = 3;

int main() {
    std::array<std::array<int, COLS>, ROWS> matrix1 = {{{1, 2, 3}, {4, 5, 6}}};
    std::array<std::array<int, COLS>, ROWS> matrix2 = {{{6, 5, 4}, {3, 2, 1}}};
    std::array<std::array<int, COLS>, ROWS> result;

    for (size_t i = 0; i < ROWS; ++i) {
        for (size_t j = 0; j < COLS; ++j) {
            result[i][j] = matrix1[i][j] + matrix2[i][j];
        }
    }

    // 输出结果
    for (const auto &row : result) {
        for (const auto &elem : row) {
            std::cout << elem << ' ';
        }
        std::cout << std::endl;
    }
    return 0;
}

九、结语

std::array 作为 C++11 引入的 STL 容器，为定长数组的使用提供了安全性和便利性。通过深入理解其特性和用法，我们可以编写出更为健壮和高效的代码。在实际开发中，选择合适的容器类型，对代码性能和可维护性都有重要影响。

希望本文能够帮助读者全面掌握 std::array，在日常编程中充分发挥其优势。

一、std::array 概述#

1.1 定义与作用#

1.2 头文件与命名空间#

二、std::array 的定义与基本用法#

2.1 定义语法#

2.2 示例#

2.3 与原生数组的区别#

三、成员函数与操作#

3.1 访问元素#

3.2 大小与容量#

3.3 迭代器#

3.4 数据访问#

3.5 其他操作#

四、std::array 的高级用法#

4.1 与算法库的结合#

4.2 多维数组#

4.3 与 std::vector 的区别#

4.4 与 C 风格数组的互操作#

五、注意事项#

5.1 边界检查#

5.2 大小必须是编译时常量#

5.3 初始化方式#

5.4 与原生数组的大小比较#

六、常见陷阱#

6.1 忘记包含头文件#

6.2 大小不匹配的拷贝#

6.3 不使用 std::array 的优势#

七、拓展资料：关键概念解释#

7.1 STL 容器概述#

7.2 迭代器与算法#

7.3 std::array 与 std::vector 的选择#

八、示例代码#

8.1 使用 std::array 计算平均值#

8.2 使用 std::array 实现简单的矩阵相加#

九、结语#