数组和C++ std::array详解

C/C++
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2024-01-12
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1. 数组和std::array

std::array是C++容器库提供的一个固定大小数组的容器。其与内置的数组相比，是一种更安全、更容易使用的数组类型。std::array在头文件<array>中定义，其声明如下：

template<
    class T,
    std::size_t N
> struct array; //C++11 起

std::array是一个聚合类型，其语义等同于保有一个C语言风格数组T[N]作为其唯一非静态数据成员的结构体，但其不同于C数组的是它不会自动退化为T*。同时该结构体结合了C风格数组的性能、可访问性和容器的优点（可获取大小、支持赋值和随机访问等）。

2. array的用法

2.1 成员函数

2.1.1 隐式定义的成员函数

构造函数(隐式声明)

遵循聚合初始化的规则初始化 array（注意默认初始化可以导致非类的T的不确定值）

析构函数(隐式声明)

销毁 array 的每个元素

operator=(隐式声明)

以来自另一 array的每个元素重写array的对应元素

聚合初始化就是从初始化器列表来初始化聚合体，其也是列表初始化的一种方式。

std::array<int, 3> a = {1,2,3};
std::array<int, 3> b;
b = a;  //将a中的每个元素重写到b中，使用operator=时候需要确保a b两个容器长度相等，否则编译失败

2.1.2 元素访问

at

at用于访问指定的元素，同时进行越界检查，该函数返回位于指定位置pos的元素的引用，如果pos不在容器的范围内，则抛出std::out_of_range异常。其函数声明如下：

reference at( size_type pos ); //C++17 前
constexpr reference at( size_type pos ); //C++17 起
const_reference at( size_type pos ) const; //C++14 前
constexpr const_reference at( size_type pos ) const; //C++14 起

其具体用法如下：

std::array<int,3> data = { 1, 2, 3};

std::cout<<data.at(1)<<std::endl; //2
data.at(1)=8; //此时data={1, 8, 3}

data.at(6) = 6; //越界，抛出std::out_of_range异常
operator[]

operator[]与at功能相同，即用来访问指定的元素，但其与at不同的是：operator[]不进行边界的检查。其函数声明如下所示：

reference operator[]( size_type pos ); //C++17 前
constexpr reference operator[]( size_type pos ); //C++17 起
const_reference operator[]( size_type pos ) const; //C++14 前
constexpr const_reference operator[]( size_type pos ) const; //C++14 起
注：通过operator[]符访问不存在的元素是未定义行为。
front

front用于访问容器的第一个元素，其返回值为容器首元素的引用，其函数原型如下：

reference front(); //C++17 前
constexpr reference front(); //C++17 起
const_reference front() const; //C++14 前
constexpr const_reference front() const; //C++14 起
注：在空容器上对 front 的调用是未定义的。
back

back主要功能是用来访问容器最后一个元素，其返回值为容器最后一个元素的引用，其函数原型如下所示：

reference back(); //C++17 前
constexpr reference back(); //C++17 起
const_reference back() const; //C++14 前
constexpr const_reference back() const; //C++14 起
注：在空容器上调用 back 导致未定义行为。
data

data可以直接访问容器底层数组，其返回值为指向作为元素存储工作的底层数组的指针。其函数声明如下：

T* data() noexcept; //C++11 起, C++17 前
constexpr T* data() noexcept; //C++17 起
const T* data() const noexcept; //C++11 起, C++17 前
constexpr const T* data() const noexcept; //C++17 起

其返回的指针使得范围[ data(), data() + size() )始终是合法范围。

2.2.3 迭代器

begin、end和cbegin、cend

begin和cbegin返回指向deque首元素的迭代器，end和cend返回指向deque末元素后一元素的迭代器。其函数声明如下：

iterator begin() noexcept; //C++17 前
constexpr iterator begin() noexcept; //C++17 起
const_iterator begin() const noexcept; //C++17 前
constexpr const_iterator begin() const noexcept; //C++17 起
const_iterator cbegin() const noexcept; //C++17 前
constexpr const_iterator cbegin() const noexcept; //C++17 起

iterator end() noexcept; //C++17 前
constexpr iterator end() noexcept; //C++17 起
const_iterator end() const noexcept; //C++17 前
constexpr const_iterator end() const noexcept; //C++17 起
const_iterator cend() const noexcept; //C++17 前
constexpr const_iterator cend() const noexcept; //C++17 起

如果array为空，则返回的迭代器将等于end或cend。end和cend指向deque末元素后一元素的迭代器，该元素的表现为占位符，试图访问它将导致未定义行为。

rbegin、rend和crbegin、crend

rbegin和crbegin返回指向array首元素的逆向迭代器。它对应非逆向array的末元素，若array为空，则返回的迭代器等于rend或crend。rend和crend返回指向逆向deque末元素后一元素的逆向迭代器，它对应非逆向array首元素的前一元素，此元素表现为占位符，试图访问它导致未定义行为。它们的声明如下：

reverse_iterator rbegin() noexcept; //C++17 前
constexpr reverse_iterator rbegin() noexcept; //C++17 起
const_reverse_iterator rbegin() const noexcept; //C++17 前
constexpr const_reverse_iterator  rbegin() const noexcept; //C++17 起
const_reverse_iterator crbegin() const noexcept; //C++17 前
constexpr const_reverse_iterator crbegin() const noexcept; //C++17 起

reverse_iterator rend(); //C++11 前
reverse_iterator rend() noexcept; //C++11 起
const_reverse_iterator rend() const; //C++11 前
const_reverse_iterator rend() const noexcept; //C++11 起
const_reverse_iterator crend() const noexcept; //C++11 起

2.2.4 容量

empty

empty用来检查容器是否为空，若为空则返回true，否则为false。其函数声明如下：

constexpr bool empty() const noexcept; //C++11 起，C++20 前
[[nodiscard]] constexpr bool empty() const noexcept; //C++20 起

其底层实现就是检查容器是否无元素，即判断是否begin() == end()。

size

size函数返回容器中元素数量，即std::distance(begin(), end()) 。其函数声明如下：

constexpr size_type size() const noexcept; //C++11 起
max_size

max_size函数返回根据系统或库实现限制的容器可保有的元素最大数量，即对于最大容器的 std::distance(begin(), end()) 。其函数声明为：

constexpr size_type max_size() const noexcept; //C++11 起
注：因为每个 std::array<T, N> 都是固定大小容器，故 max_size 返回的值等于 N （亦为size所返回的值）

2.2.5 修改器

fill

fill函数原型如下所示：

void fill( const T& value ); //C++11 起， C++20 前
constexpr void fill( const T& value ); //C++20 起

fill函数主要用于以指定值填充容器，即将定值 value 赋给容器中的所有元素。

具体用法示例如下：

std::array<int, 3> arr = {1, 2, 3};
arr.fill(1); // arr = {1, 1, 1}
swap

swap函数的主要作用是交换两个array容器的内容，其与deque的swap不同的是不导致迭代器和引用关联到别的容器。其函数声明如下：

void swap( array& other ) noexcept(); //C++11 起, C++20 前
constexpr void swap( array& other ) noexcept(); //C++20 起

其用法示例如下图所示：

std::array<int, 3> a1{1, 2, 3}, a2{4, 5, 6};

auto it1 = a1.begin(); //*it1 = 1
auto it2 = a2.begin(); //*it2 = 4

int &ref1 = a1[1]; // ref1 = 2
int &ref2 = a2[1]; // ref1 = 5

std::cout << *it1 << ' ' << *it2 << ' ' << ref1 << ' ' << ref2 << '\n';
// 打印结果为1 4 2 5

a1.swap(a2);

// 此时a1 = {4, 5, 6}，a2 = {1, 2, 3}
std::cout << *it1 << ' ' << *it2 << ' ' << ref1 << ' ' << ref2 << '\n';
// 打印结果为4 1 5 2

/*注：
     交换后迭代器与引用保持与原 array 关联，
     例如it1仍指向元素 a1[0] ，ref1仍指代 a1[1] */

2.2 非成员函数

operator==,!=,<,<=,>,>=,<=>(std::array)

C++提供operator==,!=,<,<=,>,>=,<=>(std::array)非成员函数用来比较两个array的大小，相关函数及函数声明如下：

//1. ==
//返回值：在 array 内容相等时返回 true，否则返回 false
template< class T, std::size_t N >
bool operator==( const std::array<T, N>& lhs,
                 const std::array<T, N>& rhs ); //C++20 前

template< class T, std::size_t N >
constexpr bool operator==( const std::array<T, N>& lhs,
                           const std::array<T, N>& rhs ); //C++20 起

//2. !=
//返回值：在 array 内容不相等时返回 true，否则返回 false
template< class T, std::size_t N >
bool operator!=( const std::array<T, N>& lhs,
                 const std::array<T, N>& rhs ); //C++20 前

//3. <
//返回值：在 lhs 的内容按字典序小于 rhs 的内容时返回 true，否则返回 false
template< class T, std::size_t N >
bool operator<( const std::array<T, N>& lhs,
                const std::array<T, N>& rhs ); //C++20 前

//4. <=
//返回值：在 lhs 的内容按字典序小于或等于 rhs 的内容时返回 true，否则返回 false
template< class T, std::size_t N >
bool operator<=( const std::array<T, N>& lhs,
                 const std::array<T, N>& rhs ); //C++20 前

//5. >
//返回值：在 lhs 的内容按字典序大于 rhs 的内容时返回 true，否则返回 false
template< class T, std::size_t N >
bool operator>( const std::array<T, N>& lhs,
                const std::array<T, N>& rhs ); //C++20 前

//6. >=
//返回值：在 lhs 的内容按字典序大于或等于 rhs 的内容时返回 true，否则返回 false
template< class T, std::size_t N >
bool operator>=( const std::array<T, N>& lhs,
                 const std::array<T, N>& rhs ); //C++20 前

//7. <=>
//返回值：lhs 与 rhs 中的首对不等价元素的相对顺序，如果有这种元素；否则是 lhs.size() <=> rhs.size()。
template< class T, std::size_t N >
constexpr operator<=>( const std::array<T, N>& lhs,
                                       const std::array<T, N>& rhs ); //C++20 起

1,2中会检查lhs和rhs的内容是相等，即他们是否拥有相同数量的元素且lhs中每个元素与rhs的相同位置元素比较相等。同时函数中T 必须符合可相等比较 (EqualityComparable) 的要求

3-6中按照字典比较lhs和rhs的内容，其内部等价于调用std::lexicographical_compare函数进行比较。同时函数中T 必须符合[可小于比较 (LessThanComparable) 的要求。

7中也是按字典序比较lhs和rhs的内容。其内部等价于调用std::lexicographical_compare_three_way 进行比较。返回类型同合成三路比较的结果类型。其逻辑大致如下：

lhs < rhs ? std::weak_ordering::less :
rhs < lhs ? std::weak_ordering::greater :
            std::weak_ordering::equivalent
//注：通常情况下less对应的是-1，greater对应1，equivalent对应0

lhs与rhs中的首对不等价元素的相对顺序，如果有这种元素；否则是 lhs.size() <=> rhs.size()。

其具体的应用示例如下所示：

std::array<int, 3> alice{1, 2, 3};
std::array<int, 3> bob{7, 8, 9};
std::array<int, 3> eve{1, 2, 3};

std::cout << std::boolalpha;

// 比较不相等的容器
std::cout << "alice == bob returns " << (alice == bob) << '\n';
std::cout << "alice != bob returns " << (alice != bob) << '\n';
std::cout << "alice <  bob returns " << (alice < bob) << '\n';
std::cout << "alice <= bob returns " << (alice <= bob) << '\n';
std::cout << "alice >  bob returns " << (alice > bob) << '\n';
std::cout << "alice >= bob returns " << (alice >= bob) << '\n';

std::cout << '\n';

// 比较相等的容器
std::cout << "alice == eve returns " << (alice == eve) << '\n';
std::cout << "alice != eve returns " << (alice != eve) << '\n';
std::cout << "alice <  eve returns " << (alice < eve) << '\n';
std::cout << "alice <= eve returns " << (alice <= eve) << '\n';
std::cout << "alice >  eve returns " << (alice > eve) << '\n';
std::cout << "alice >= eve returns " << (alice >= eve) << '\n';

输出结果为

alice == bob returns false
alice != bob returns true
alice <  bob returns true
alice <= bob returns true
alice >  bob returns false
alice >= bob returns false
 
alice == eve returns true
alice != eve returns false
alice <  eve returns false
alice <= eve returns true
alice >  eve returns false
alice >= eve returns true

std::get(std::array)

std::get(std::array)可以用来访问array的一个元素，其函数声明如下：

template< std::size_t I, class T, std::size_t N >
T& get( std::array<T,N>& a ) noexcept; //C++11 起, C++14 前

template< std::size_t I, class T, std::size_t N >
constexpr T& get( std::array<T,N>& a ) noexcept; //C++14 起

template< std::size_t I, class T, std::size_t N >
T&& get( std::array<T,N>&& a ) noexcept; //C++11 起, C++14 前

template< std::size_t I, class T, std::size_t N >
constexpr T&& get( std::array<T,N>&& a ) noexcept; //C++14 起 

template< std::size_t I, class T, std::size_t N >
const T& get( const std::array<T,N>& a ) noexcept; //C++11 起, C++14 前

template< std::size_t I, class T, std::size_t N >
constexpr const T& get( const std::array<T,N>& a ) noexcept; //C++14 起

template< std::size_t I, class T, std::size_t N >
const T&& get( const std::array<T,N>&& a ) noexcept; //C++11 起, C++14 前

template< std::size_t I, class T, std::size_t N >
constexpr const T&& get( const std::array<T,N>&& a ) noexcept; //C++14 起

其主要作用是从a中提取第I个元素.I必须是范围 [0, N) 中的整数值。与at()或 operator[]相反，这在编译时强制。该函数的返回值为a中第I元素的引用。

其具体的用法如下：

std::array<int, 3> arr;

// 设置值：
std::get<0>(arr) = 1;
std::get<1>(arr) = 2;
std::get<2>(arr) = 3;

// 获取值：
std::cout << "(" << std::get<0>(arr) << ", " << std::get<1>(arr)
  << ", " << std::get<2>(arr) << ")\n";
//输出结果为 (1, 2, 3)

std::swap(std::array)

std::swap(std::array)函数是为std::array特化std::swap 算法。其函数声明如下：

template< class T, std::size_t N >
void swap( std::array<T, N>& lhs,
           std::array<T, N>& rhs ); //C++11 起, C++17 前

template< class T, std::size_t N >
void swap( std::array<T, N>& lhs,
           std::array<T, N>& rhs ) noexcept(); //C++17 起, C++20 前

template< class T, std::size_t N >
constexpr void swap( std::array<T, N>& lhs,
                     std::array<T, N>& rhs ) noexcept(); //C++20 起

交换 lhs 与 rhs 的内容。调用lhs.swap(rhs)。其具体用法如下：

std::array<int, 3> a1{1, 2, 3}, a2{4, 5, 6};

auto it1 = a1.begin(); //*it1 = 1
auto it2 = a2.begin(); //*it2 = 4

int &ref1 = a1[1]; // ref1 = 2
int &ref2 = a2[1]; // ref1 = 5

std::cout << *it1 << ' ' << *it2 << ' ' << ref1 << ' ' << ref2 << '\n';
// 打印结果为1 4 2 5

std::swap(a1, a2);

// 此时a1 = {4, 5, 6}，a2 = {1, 2, 3}
std::cout << *it1 << ' ' << *it2 << ' ' << ref1 << ' ' << ref2 << '\n';
// 打印结果为4 1 5 2

std::to_array

std::to_array函数声明如下：

template<class T, std::size_t N>
constexpr std::array<std::remove_cv_t<T>, N> to_array(T (&a)[N]); //C++20 起

template<class T, std::size_t N>
constexpr std::array<std::remove_cv_t<T>, N> to_array(T (&&a)[N]); //C++20 起

std::to_array函数可以从一维内建数组 a 创建 std::array 对象，从 a 的对应元素复制初始化 std::array 的元素。不支持复制或移动多维内建数组。其具体用法如下：

#include <array>
#include <iostream>

int main()
{
  // 复制字符串字面量
  auto a1 = std::to_array("foo");
  static_assert(a1.size() == 4);

  // 推导元素类型和长度
  auto a2 = std::to_array({0, 2, 1, 3});

  // 推导长度而元素类型指定
  // 发生隐式转换
  auto a3 = std::to_array<long>({0, 1, 3});

  auto a4 = std::to_array<std::pair<int, float>>(
    {{3, .0f}, {4, .1f}, {4, .1e23f}});

  // 创建不可复制的 std::array
  auto a5 = std::to_array({std::make_unique<int>(3)});

  // 错误：不支持复制多维数组
  // char s[2][6] = { "nice", "thing" };
  // auto a6 = std::to_array(s);
}

std::tuple_size

std::tuple_size(std::array)函数的声明如下：

template< class T, std::size_t N >
struct tuple_size< std::array<T, N> > :
    std::integral_constant<std::size_t, N>   //C++11 起
{ };

其提供作为编译时常量表达式访问std::array中元素数量的方法。用法示例如下：

#include <iostream>
#include <array>
 
template<class T>
void test(T t)
{
    int a[std::tuple_size<T>::value]; // 能用于编译时
    std::cout << std::tuple_size<T>::value << '\n';
}
 
int main()
{
    std::array<float, 3> arr;
    test(arr); //输出 3
}

std::tuple_element

std::tuple_element<std::array>函数主要用来获得 array 元素的类型，其声明如下：

template< std::size_t I, class T, std::size_t N >
struct tuple_element<I, std::array<T, N> >; //C++11 起

其使用类 tuple 接口，提供 array 元素类型的编译时带下标访问。具体使用方法如下：

// 定义 array 并获取位于位置 0 的元素类型
std::array<int, 10> data {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
using T = std::tuple_element<0, decltype(data)>::type; // int

3. 总结

数组std::array的优劣：

优点

  • 无开销随机访问。
  • 快速遍历;适合线性搜索。

劣势

  • 如果元素类型具有较高的复制/分配成本，则可能会变慢（重新排序元素需要复制/移动它们）。
  • 在使用array容器的时候，其size必须是常量表达式（即编译时已知）。
  • 不支持大小更改操作（调整大小、插入、擦除等）。
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