39 C++ STL模板库8-容器1-array

C++ STL模板库8-容器1-array

1. 基础概念

array - 静态数组

• 本质：封装固定大小数组的容器模板（#include <array>）。
• 特性：
  • 编译时确定大小（size() 是 constexpr）。
  • 内存布局与C风格数组完全兼容（可直接用于C 的 API）。
  • 支持STL容器标准接口（迭代器、算法等）。

2. 模板参数

std::array<T, N> arr;  // T:元素类型, N:固定大小 

• 示例：std::array<int, 5> nums = {1, 2, 3};
  • 未初始化元素默认值为 0（剩余位置自动补零）。

3. 与C数组的核心差异

特性	std::array	C风格数组
赋值/传参	支持拷贝赋值（深拷贝）	退化为指针
大小查询	arr.size() 直接获取	需额外计算 sizeof(arr)/sizeof(T)
越界访问检查	at(i) 抛出异常	无检查
类型安全	强类型容器	易退化为 void*

4. 元素访问方法

• 安全访问：
  arr.at(i) → 越界时抛 std::out_of_range。
• 快速访问：
  arr[i] → 无边界检查（效率高，需自行保证安全）。
  - arr.front() → 返回首元素引用
  - arr.back() → 返回尾元素引用
• 底层指针：
  arr.data() → 返回指向底层数组的 T*（兼容C API）。

5. 迭代器支持

• 正向迭代器

  函数	功能
  begin() / cbegin()	返回指向首元素的迭代器
  end() / cend()	返回指向尾后位置的迭代器

• 反向迭代器

  函数	功能
  rbegin() / crbegin()	返回指向反向首元素的迭代器
  rend() / crend()	返回指向反向尾后位置的迭代器

  // 正向遍历
  for (auto it = arr.begin(); it != arr.end(); ++it) { ... }// 反向遍历 
  for (auto rit = arr.rbegin(); rit != arr.rend(); ++rit) { ... }
  

  • 支持所有STL算法（如 std::sort(arr.begin(), arr.end())）。

6. 容量操作

函数	功能
size()	返回元素数量（编译时常量）
max_size()	恒等于 size()（保持容器接口兼容性）
empty()	仅当 size() == 0 时返回 true

• size() 是 constexpr 函数（编译时可用）

  constexpr std::array arr{1, 2, 3};
  static_assert(arr.size() == 3);  // 编译期验证
  

7. 其他关键操作

• 填充：arr.fill(42) → 所有元素赋值为42。
• 交换：arr1.swap(arr2) → 交换两个同类型array的内容。
• 关系运算：支持 ==, !=, <, > 等（按字典序比较元素）。
• = 数组赋值，类型和大小相同时可以赋值。
• std::get<0>(arr) 访问数组元素

std::array<int, 4> a{7,8,9,0};
std::array<int, 4> b = a;//把数组 a 赋值给了数组 b//get<>()访问元素
std::get<0>(a) = 1, std::get<1>(a) = 2, std::get<2>(a) = 3;//get<>()访问元素
std::cout << '(' << std::get<0>(a) << ',' << std::get<1>(a) << ',' << std::get<2>(a) << ")\n";//(1,2,3)

8. 完整示例

#include <iostream>
#include <array>
#include <algorithm> // 用于排序 
#include <string>int main() {// ========== 1. 初始化与声明 ==========std::array<int, 5> nums1{};              // 默认初始化（元素值未定义）std::array<double, 3> nums2{1.1, 2.2};   // 部分初始化（第三个元素=0.0）std::array<std::string, 3> colors{"Red", "Green", "Blue"}; // C++17 CTAD推导 // ========== 2. 元素访问 ==========// (1) 安全访问colors.at(0)  = "Crimson"; // 修改首元素（越界会抛异常）// (2) 快速访问 nums2[2] = 3.3;           // 直接修改第三个元素// (3) 首尾访问std::cout << "首元素: " << nums2.front()  << "\n";  // 输出 1.1std::cout << "尾元素: " << nums2.back()   << "\n";  // 输出 3.3// (4) 底层指针 double* ptr = nums2.data(); std::cout << "指针访问: " << *(ptr + 1) << "\n";  // 输出 2.2// ========== 3. 容量操作 ==========std::cout << "元素数量: " << colors.size()      << "\n"; // 输出 3 std::cout << "最大容量: " << colors.max_size()  << "\n"; // 输出 3std::cout << "是否为空: " << std::boolalpha << std::array<int, 0>{}.empty() << "\n"; // 输出 true// ========== 4. 迭代器操作 ==========// (1) 正向遍历std::cout << "正向: ";for (auto it = colors.begin();  it != colors.end();  ++it) std::cout << *it << " ";  // 输出 Crimson Green Blue // (2) 反向遍历 + 算法 std::cout << "\n反向排序: ";std::sort(colors.rbegin(),  colors.rend());  // 反向排序 （按字母排序）for (const auto& color : colors) std::cout << color << " ";  // 输出 Green Crimson Blue// ========== 5. 填充与交换 ==========nums1.fill(100);  // 所有元素设为100std::array<int, 5> nums3{};nums1.swap(nums3);  // 交换内容 // ========== 6. 结构化绑定 (C++17) ==========auto [first, second, third] = colors;std::cout << "\n解构: " << second << "\n";  // 输出 Crimson // ========== 7. 编译时操作 ==========constexpr std::array<int, 4> const_arr{1, 2, 0, 5}; // static_assert(const_arr.size()  == 4);   // 编译期检查 static_assert(const_arr[3] == 5);       // 编译期访问 // ========== 8. 非成员函数 ==========// (1) 元组接口访问 std::cout << "get<2>: " << std::get<2>(nums2) << "\n"; // 输出 3.3 // (2) 比较运算符std::array a{1,2}, b{1,3};std::cout << "字典序比较: " << (a < b) << "\n"; // true (1<3)// ========== 9. 清零内存验证 ==========std::cout << "内存连续: " << (&nums2[2] - &nums2[0] == 2) // 输出 true<< "\n";
} 

注意两种写法对排序结果的影响：

• colors1 排序流程 std::string
• colors2 排序流程 const char*

#include <iostream>
#include <array>
#include <algorithm>    int main() {// ========== 1. 初始化与声明 ==========std::array<std::string, 3> colors1{"Crimson", "Green", "Blue"};std::array colors2{"Crimson", "Green", "Blue"};// 反向遍历 + 算法 std::cout << "\n反向排序: ";std::sort(colors1.rbegin(),  colors1.rend());// （按字母排序） for (const auto& color : colors1) std::cout << color << " ";  // 输出 Green Crimson Blue std::cout << "\n反向排序: ";std::sort(colors2.rbegin(),  colors2.rend());// （按编译器存储地址排序）for (const auto& color : colors2) std::cout << color << " ";  // 输出 Blue Green Crimsonreturn 0;
}

• std::string 类型始终按字典序排序，输出稳定可靠
• const char* 类型按编译器分配的地址值排序，结果不可预测，使用时应避免这种写法

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💎综述
std::array 在保留C数组性能与内存布局的同时，提供了类型安全、迭代器支持、边界检查等现代容器特性。
适用场景：需固定大小数组 + 需要STL兼容性 + 避免动态内存开销的场景（如嵌入式系统、高频交易等）。