C++11中array容器的常见用法

一、概述

在 C++11 中，std::array 是一个新的容器类型，它提供了一个固定大小的数组封装。相比传统的 C 风格数组，std::array 提供了更多的功能和类型安全性，并且更符合现代 C++ 的风格。std::array 是一个模板类，定义在 头文件中，它封装了固定大小的数组，并提供了更方便的访问和操作方法。

二、std::array的特点

• 固定大小：std::array 的大小在编译时确定，不能在运行时动态改变。
• 类型安全：由于 std::array 是模板类，它保证了元素的类型安全，且可以使用类型推断。
• 支持标准容器接口：std::array 提供了与其他标准容器类似的接口，如 begin(), end(), size(), empty(), at(), [] 等。
• 可以与 C 风格数组互操作：std::array 可以通过 data() 方法访问底层的 C 风格数组。

三、std::array的定义与初始化

std::array 是一个模板类，其模板参数为元素类型和容器大小。
1. 定义与初始化

#include <iostream>
#include <array>

int main() {
    // 定义一个包含 5 个整数的 std::array
    std::array<int, 5> arr = {1, 2, 3, 4, 5};

    // 访问元素
    std::cout << "arr[0] = " << arr[0] << std::endl;

    // 使用范围 for 循环打印元素
    for (const auto& elem : arr) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

2. 使用 fill() 方法初始化
可以使用 fill() 方法为所有元素赋值相同的值：

std::array<int, 5> arr;
arr.fill(10);  // 所有元素被初始化为 10

3. 通过列表初始化
std::array 还可以通过列表初始化进行初始化：

std::array<int, 3> arr = {1, 2, 3};  // 列表初始化

三、std::array的常用成员函数

std::array 提供了很多类似于其他 STL 容器的成员函数，包括获取容器大小、访问元素、检查是否为空等。
1. size()：返回数组的大小
std::array 的 size() 函数用于返回数组中元素的数量。与 std::vector 不同，std::array 的大小是固定的（在编译时已知），所以 size() 返回的是数组的元素总数，而不是动态变化的长度。

#include <iostream>
#include <array>

int main() {
    // 创建一个 std::array，包含 5 个整数元素
    std::array<int, 5> arr = {1, 2, 3, 4, 5};

    // 获取并输出数组的大小
    std::cout << "数组的大小: " << arr.size() << std::endl;  // 输出: 5

    // 使用 size() 来遍历数组
    for (std::size_t i = 0; i < arr.size(); ++i) {
        std::cout << "arr[" << i << "] = " << arr[i] << std::endl;
    }
    
    return 0;
}

运行结果：

解释：

• 在上面的代码中，arr.size() 返回了 5，表示 std::array<int, 5> 中有 5 个元素。
• size() 是一个常量时间操作，它的返回值是编译时已知的常量，因此非常高效。

注意事项：

• size() 不会返回数组中有效元素的数量。它返回的是数组的固定大小，即使部分元素没有被赋值，大小依然是固定的；对于 std::array，size() 是编译时确定的固定值。
• 对于 std::array<T, N>，size() 始终返回 N，而不会随着元素的初始化状态变化；size() 提供了数组的固定大小，返回容器中的元素个数。

通过 size() 使用 std::array：
在许多情况下，你可以使用 size() 来使代码更加灵活。举个例子，如果你需要遍历一个 std::array，使用 size() 可以避免硬编码数组的长度：

#include <iostream>
#include <array>

int main() {
    std::array<int, 5> arr = {10, 20, 30, 40, 50};

    // 使用 size() 来遍历整个数组
    for (auto& value : arr) {
        std::cout << value << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

2. at()：返回指定索引的元素，并进行越界检查

std::array<int, 5> arr = {1, 2, 3, 4, 5};
std::cout << "Element at index 2: " << arr.at(2) << std::endl;  // 输出 3

// 如果索引越界，将抛出 std::out_of_range 异常
try {
    std::cout << arr.at(10) << std::endl;  // 异常
} catch (const std::out_of_range& e) {
    std::cout << e.what() << std::endl;  // 输出异常信息
}

3. operator[]：通过索引访问元素（没有越界检查）

std::array<int, 5> arr = {1, 2, 3, 4, 5};
std::cout << "Element at index 3: " << arr[3] << std::endl;  // 输出 4

4.begin() 和 end()：返回指向数组开始和结束的迭代器

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

for (auto it = arr.begin(); it != arr.end(); ++it) {
    std::cout << *it << " ";  // 输出 1 2 3 4 5
}

5. front() 和 back()：返回数组的第一个和最后一个元素

std::array<int, 5> arr = {1, 2, 3, 4, 5};
std::cout << "First element: " << arr.front() << std::endl;  // 输出 1
std::cout << "Last element: " << arr.back() << std::endl;    // 输出 5

6. fill()：填充整个数组

std::array<int, 5> arr;
arr.fill(42);  // 所有元素都被设置为 42

7. swap()：交换两个 std::array

std::array<int, 3> arr1 = {1, 2, 3};
std::array<int, 3> arr2 = {4, 5, 6};
arr1.swap(arr2);  // 交换 arr1 和 arr2 的内容

for (int i : arr1) {
    std::cout << i << " ";  // 输出 4 5 6
}

8.empty()：表示 std::array 是否为空
empty() 函数返回一个布尔值，表示 std::array 是否为空。如果数组的大小为 0，返回 true，否则返回 false。注意，std::array 在声明时是一个固定大小的数组，因此它的大小在编译时就已经确定。即使数组的元素没有被赋值，empty() 仍然根据数组的大小来判断是否为空。

#include <iostream>
#include <array>

int main() {
    // 创建一个固定大小的 std::array
    std::array<int, 5> arr = {1, 2, 3, 4, 5};
    
    // 使用 empty() 检查数组是否为空
    if (arr.empty()) {
        std::cout << "数组是空的!" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "数组不为空!" << std::endl;
    }

    // 创建一个空数组
    std::array<int, 0> empty_arr;

    // 使用 empty() 检查空数组
    if (empty_arr.empty()) {
        std::cout << "空数组是空的!" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "空数组不为空!" << std::endl;
    }

    return 0;
}

运行结果：

说明：

• 对于 std::array<int, 5>，它的大小是固定的为 5，因此 empty() 会返回 false，即使数组中没有实际赋值的元素。
• 对于 std::array<int, 0>，大小为 0，empty() 会返回 true。

总结：

• empty() 判断的是数组的大小是否为零，而不是数组中的元素是否已被初始化或赋值。
• std::array 的大小在编译时确定，所以它的 empty() 判断只会在大小为零时返回 true。

四、与 C 风格数组的互操作

std::array 提供了 data() 方法，可以返回底层的 C 风格数组指针，这使得它能够与传统的 C 风格数组兼容：

std::array<int, 5> arr = {1, 2, 3, 4, 5};
int* p = arr.data();  // 获取指向数组的指针

// 修改数组元素
p[2] = 100;
for (int val : arr) {
    std::cout << val << " ";  // 输出 1 2 100 4 5
}