C++ 容器类 <array>

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C++11 标准引入了 <array> 头文件，它提供了一种固定大小的数组容器，与 C 语言中的数组相比，具有更好的类型安全和内存管理特性。

std::array 是 C++ 标准库中的一个模板类，它定义在 <array> 头文件中。std::array 模板类提供了一个固定大小的数组，其大小在编译时确定，并且不允许动态改变。

语法

std::array 的基本语法如下：

#include <array>

std::array<T, N> array_name;

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。

声明与初始化

<array> 需要在编译时确定大小，不能动态改变。使用示例：

#include <iostream>
#include <array>

int main() {
    std::array<int, 5> arr = {1, 2, 3, 4, 5}; // 声明一个定长为5的int数组
    return 0;
}

特点

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。
固定大小：数组的大小在编译时确定，不能在运行时改变。
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：std::array 提供了与 std::vector 类似的接口，如 size(), at(), front(), back() 等。

实例

下面是一个使用 std::array 的简单示例，包括输出结果。

#include <iostream>

#include <array>

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

    // 使用范围 for 循环遍历数组
    for (const auto& value : myArray) {
        std::cout << value << " ";
    }

    std::cout << std::endl;

    // 使用索引访问数组元素
    std::cout << "Element at index 2: " << myArray.at(2) << std::endl;

    // 获取数组的大小
    std::cout << "Array size: " << myArray.size() << std::endl;

    // 修改数组元素
    myArray[3] = 10;

    // 再次遍历数组以显示修改后的元素
    for (const auto& value : myArray) {
        std::cout << value << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

输出结果:

1 2 3 4 5 
Element at index 2: 3
Array size: 5
1 2 3 10 5

常用成员函数

以下是 <array> 中的一些常用成员函数：

函数	说明
`at(size_t pos)`	返回指定位置的元素，带边界检查
`operator[]`	返回指定位置的元素，不带边界检查
`front()`	返回数组的第一个元素
`back()`	返回数组的最后一个元素
`data()`	返回指向数组数据的指针
`size()`	返回数组大小（固定不变）
`fill(const T& value)`	将数组所有元素设置为指定值
`swap(array& other)`	交换两个数组的内容
`begin()` / `end()`	返回数组的起始/结束迭代器

实例

1、基本操作

#include <iostream>
#include <array>

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

    std::cout << "Array elements: ";
    for (int i = 0; i < arr.size(); ++i) {
        std::cout << arr[i] << " ";
    }

    std::cout << std::endl;

    // 获取第一个和最后一个元素
    std::cout << "First element: " << arr.front() << std::endl;
    std::cout << "Last element: " << arr.back() << std::endl;

    return 0;
}

2、使用 at 和边界检查

#include <iostream>
#include <array>

int main() {
    std::array<int, 3> arr = {1, 2, 3};

    try {
        std::cout << arr.at(2) << std::endl;  // 正常输出
        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、使用 fill 填充元素

#include <iostream>
#include <array>

int main() {
    std::array<int, 5> arr;
    arr.fill(100);  // 将所有元素设置为100

    std::cout << "Filled array: ";
    for (const auto& elem : arr) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

4、数组交换

#include <iostream>
#include <array>

int main() {
    std::array<int, 3> arr1 = {1, 2, 3};
    std::array<int, 3> arr2 = {4, 5, 6};

    arr1.swap(arr2);

    std::cout << "Array 1: ";
    for (const auto& elem : arr1) {
        std::cout << elem << " ";
    }

    std::cout << std::endl;

    std::cout << "Array 2: ";
    for (const auto& elem : arr2) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

与其他数组类型对比

特性	`std::array`	C 风格数组	`std::vector`
大小	编译时固定	编译时固定	动态可变
边界检查	`at()` 提供边界检查	无	`at()` 提供边界检查
内存管理	栈上分配	栈上分配	堆上分配
性能	高效	高效	较低（动态分配）
接口	支持 STL 标准接口	不支持 STL 标准接口	支持 STL 标准接口

std::array 是 C++ 标准库中一个非常有用的容器，它提供了固定大小的数组，具有类型安全和内存管理的优势。通过上述示例，我们可以看到如何创建、访问和修改 std::array 的元素。对于需要固定大小数组的场景，std::array 是一个非常好的选择。

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