C++ 数组

C++ 数组与容器

数组是基本的数据结构，用于在连续的内存位置存储同类型元素的集合。C++ 提供了几种处理类似数组结构的方式，每种方式都有其独特的特性。

1. 内置的 C 风格数组

这是从 C 语言继承来的传统数组。它存储固定大小的顺序元素集合。

声明 (Declaration):

指定元素类型、数组名称和大小（必须是编译时常量）：

type arrayName[arraySize];

示例：声明一个名为 scores 的数组，用于存储 10 个整数。

int scores[10];

初始化 (Initialization):

你可以在声明时使用花括号初始化 {} 来初始化 C 风格数组：

double balance[5] = {1000.0, 2.0, 3.4, 7.0, 50.0};

// 如果初始化时提供元素，可以省略大小；编译器会推断大小
int values[] = {1, 2, 3, 4};

// 初始化前几个元素（其余元素对于静态/全局数组会零初始化，对于局部数组值不确定）
float readings[100] = {1.1f, 2.2f};

访问元素 (Accessing Elements):

使用数组名称后跟方括号 [] 中的索引来访问元素。数组索引是零基的（zero-based），这意味着第一个元素位于索引 0，最后一个元素位于索引 arraySize - 1。

balance[0] = 1200.0; // 改变第一个元素
double thirdBalance = balance[2]; // 访问第三个元素（索引 2）

// 重要提示：访问超出边界（例如 balance[5] 或 balance[-1]）
// 会导致未定义行为 (Undefined Behavior) - 这是一个常见且危险的错误！

内存布局 (Memory Layout):

C 风格数组的元素在内存中是连续存储的。对于 double balance[5]，内存看起来像这样：[balance[0]][balance[1]][balance[2]][balance[3]][balance[4]]。

C 风格数组的局限性 (Limitations of C-style Arrays):

• 大小固定 (Fixed Size): 大小必须在编译时已知，并且不能更改。
• 无边界检查 (No Bounds Checking): 访问超出有效索引范围的元素虽然能编译通过，但在运行时会导致未定义行为 (Undefined Behavior)。
• 指针衰减 (Pointer Decay): 当传递给函数时，它们通常会“衰减”为指向第一个元素的指针，从而丢失了大小信息。
• 没有成员函数 (No Member Functions): 它们没有像获取大小或检查是否为空等有用的方法。

由于这些局限性，现代 C++ 强烈推荐使用标准库容器，例如 std::array 和 std::vector。

2. std::array (C++11 及更高版本)

std::array 是一个封装了固定大小数组的容器。它提供了 C 风格数组的效率和内存布局，同时具备标准容器的优点。

声明与初始化 (Declaration & Initialization):

包含 <array> 头文件。将类型和大小指定为模板参数。

#include <array>

std::array<int, 5> myArray = {1, 2, 3, 4, 5};
std::array<double, 3> temps; // 元素未初始化（与 C 风格局部数组类似）
std::array<char, 10> name{}; // 对元素进行值初始化（对于 char 为 0）

访问元素与特性 (Accessing Elements & Features):

• 方括号访问 []: myArray[0] (无边界检查)。
• at() 成员函数: myArray.at(1) (提供边界检查；如果索引无效则抛出 std::out_of_range 异常)。
• size() 成员函数: myArray.size() 返回大小（编译时常量）。
• 迭代器 (Iterators): 支持迭代器 (begin(), end())，可用于标准算法和范围 for 循环 (range-based for loops)。
• front() / back(): 访问首元素/尾元素。
• empty(): 检查大小是否为零（即是否为空）。
• data(): 返回指向底层 C 风格数组的指针。

当你需要一个通常分配在栈上的固定大小数组时，使用 std::array。

3. std::vector

std::vector 是一个动态数组。它在堆上管理其存储，允许在运行时增长或收缩大小。

声明与初始化 (Declaration & Initialization):

包含 <vector> 头文件。

#include <vector>

std::vector<int> scores; // 空 vector
std::vector<std::string> names = {"Alice", "Bob", "Charlie"}; // 初始化列表
std::vector<double> data(10); // 包含 10 个默认初始化（为 0.0）double 元素的 vector
std::vector<int> sequence(5, 100); // 包含 5 个整数，值都为 100 的 vector

访问元素与特性 (Accessing Elements & Features):

• 方括号访问 []: names[0] (直接访问无边界检查)。
• at() 成员函数: names.at(1) (提供边界检查)。
• size() 成员函数: names.size() 返回当前元素数量。
• push_back(): 在末尾添加一个元素（可能需要重新分配内存）。
• pop_back(): 移除末尾元素。
• resize(): 改变元素数量。
• clear(): 移除所有元素。
• empty(): 检查 vector 是否包含元素。
• 迭代器 (Iterators), front(), back(), data(): 与 std::array 类似。

当你需要一个大小在编译时未知或需要在执行期间改变的数组时，使用 std::vector。

现代迭代方式：基于范围的 For 循环 (Range-Based For Loop) (C++11)

遍历标准容器（如 std::array, std::vector）和 C 风格数组（大小已知时）元素最方便的方式是基于范围的 for 循环：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <array>

int main() {
    std::array<int, 4> fixedNums = {10, 20, 30, 40};
    std::cout << "std::array elements: ";
    for (int num : fixedNums) { // 只读访问（创建副本）
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    std::vector<std::string> words = {"C++", "is", "fun"};
    std::cout << "std::vector elements (modified): ";
    for (std::string& word : words) { // 引用访问（允许修改）
        word += "!";
        std::cout << word << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    std::cout << "std::vector elements (const reference): ";
    for (const auto& word : words) { // 只读访问（无副本，推荐用于对象）
         std::cout << word << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

输出 (Output):

std::array elements: 10 20 30 40
std::vector elements (modified): C++! is! fun!
std::vector elements (const reference): C++! is! fun!

数组细节 (现代视角) (Arrays in Detail (Modern Perspective)):

在 C++ 中有效使用类似数组结构的关键概念：

概念 (Concept)	描述 (Description)
多维数组 (Multi-dimensional arrays)	对于固定大小的多维数组，使用 std::array<std::array<T, M>, N>；对于动态多维数组，使用 std::vector<std::vector<T>>。避免使用 C 风格的 T[N][M]，因为它存在潜在的指针衰减问题。
指针访问 (Pointer access)	std::array 和 std::vector 都提供了 .data() 成员函数来获取指向底层连续数据的原始指针，这对于与 C API 进行互操作非常有用。
将数组传递给函数 (Passing arrays to functions)	优先通过引用 (&) 或 const 引用 (const&) 传递 std::vector 和 std::array，以避免复制。对于连续数据的非拥有视图（来自 C 风格数组、std::array、std::vector），可以使用 std::span (C++20)。
从函数返回数组 (Return array from functions)	函数可以直接按值返回 std::array 或 std::vector。现代编译器通常会优化掉复制（返回值优化 - Return Value Optimization - RVO）。