C++28 STL容器--array

std::array核心定位

std::array是 C++11 引入的静态数组封装，本质是对 C 风格静态数组（如int arr[5]）的 “现代化升级”，核心目标：

• 保留 C 数组 “栈上分配、高效访问” 的优点；
• 弥补 C 数组 “类型不安全、无边界检查、无容器接口” 的缺陷；
• 大小编译期固定，无堆内存开销，无需手动管理内存。

核心用法

1. 基本定义与初始化

#include <array> // 必须包含头文件 #include <iostream> int main() { // 方式1：默认初始化（内置类型为随机值，类类型调用默认构造） std::array<int, 5> arr1; // 方式2：聚合初始化（类似C数组，推荐） std::array<int, 5> arr2 = {1, 2, 3, 4, 5}; std::array<int, 5> arr3{1, 2, 3, 4, 5}; // C++11起支持列表初始化 // 方式3：部分初始化（未初始化的元素补0） std::array<int, 5> arr4 = {1, 2}; // 结果：[1,2,0,0,0] // 方式4：填充初始化（所有元素设为同一值） std::array<int, 5> arr5; arr5.fill(8); // 结果：[8,8,8,8,8] return 0; }

2. 元素访问（4 种方式）

std::array<int, 5> arr = {1, 2, 3, 4, 5}; // 方式1：operator[]（无边界检查，高效，推荐常规场景） std::cout << arr[2] << std::endl; // 输出3 // 方式2：at()（带边界检查，越界抛异常，调试/安全场景） try { std::cout << arr.at(10) << std::endl; // 越界，抛std::out_of_range } catch (const std::out_of_range& e) { std::cerr << e.what() << std::endl; } // 方式3：front()/back()（首尾元素，N=0时调用未定义） std::cout << arr.front() << std::endl; // 输出1 std::cout << arr.back() << std::endl; // 输出5 // 方式4：data()（获取原始指针，兼容C风格接口） int* ptr = arr.data(); std::cout << ptr[3] << std::endl; // 输出4

3. 容量与迭代器

std::array<int, 5> arr = {1, 2, 3, 4, 5}; // 容量（编译期固定，无扩容） std::cout << arr.size() << std::endl; // 输出5（constexpr，编译期确定） std::cout << arr.max_size() << std::endl;// 输出5（和size()相等） std::cout << arr.empty() << std::endl; // 输出false（N=0时为true） // 迭代器（支持范围for、算法库） for (auto it = arr.begin(); it != arr.end(); ++it) { std::cout << *it << " "; // 输出1 2 3 4 5 } // 反向迭代器 for (auto it = arr.rbegin(); it != arr.rend(); ++it) { std::cout << *it << " "; // 输出5 4 3 2 1 } // 范围for循环（简洁） for (int num : arr) { std::cout << num << " "; }

4. 其他常用操作

std::array<int, 5> arr1 = {1, 2, 3, 4, 5}; std::array<int, 5> arr2 = {6, 7, 8, 9, 10}; // 交换两个array（要求大小相同） arr1.swap(arr2); // arr1变为[6,7,8,9,10]，arr2变为[1,2,3,4,5] // 排序（结合算法库） #include <algorithm> std::array<int, 5> arr3 = {5, 3, 1, 4, 2}; std::sort(arr3.begin(), arr3.end()); // 结果：[1,2,3,4,5]

关键特性（核心设计逻辑）

1. 内存分配：栈上分配，无堆内存开销，析构时无需释放内存，效率和 C 数组一致；
2. 大小固定：模板参数N是编译期常量，无法动态扩容 / 缩容（无reserve()/resize()接口）；
3. 类型安全：模板绑定元素类型和大小，避免 C 数组 “数组名隐式转指针” 导致的类型丢失；
4. 边界检查：at()提供运行时边界检查，operator[]无检查（兼顾效率）；
5. 兼容 STL：支持迭代器、算法库（sort/find等），可无缝融入 STL 容器体系；
6. 空数组特化：当N=0时，std::array<T,0>仍合法（迭代器返回空指针，size()=0）。

总结

1. std::array是 C 静态数组的现代化封装，栈上存储、大小固定、高效且类型安全；
2. 核心优势：兼顾 C 数组的效率 + STL 容器的易用性，支持边界检查和算法库；
3. 最佳场景：固定大小、栈上存储、需兼容 STL 的数组场景，替代 C 风格数组优先选它。

自己实现的源码

#include <cstddef> // size_t #include <iterator> // 迭代器相关 #include <stdexcept> // 异常（边界检查） namespace std { // 模板参数：T是元素类型，N是数组大小（编译期常量） template <typename T, size_t N> class array { public: // ========== 类型别名（容器通用接口） ========== using value_type = T; using pointer = T*; using const_pointer = const T*; using reference = T&; using const_reference = const T&; using size_type = size_t; using difference_type = ptrdiff_t; using iterator = T*; // 迭代器直接用原生指针（随机访问迭代器） using const_iterator = const T*; using reverse_iterator = std::reverse_iterator<iterator>; using const_reverse_iterator = std::reverse_iterator<const_iterator>; // ========== 核心成员：底层静态数组（私有） ========== // 直接存储元素，无额外封装（栈上分配，大小N） T _M_elems[N]; // ========== 迭代器接口 ========== iterator begin() noexcept { return _M_elems; } const_iterator begin() const noexcept { return _M_elems; } iterator end() noexcept { return _M_elems + N; } const_iterator end() const noexcept { return _M_elems + N; } reverse_iterator rbegin() noexcept { return reverse_iterator(end()); } const_reverse_iterator rbegin() const noexcept { return const_reverse_iterator(end()); } reverse_iterator rend() noexcept { return reverse_iterator(begin()); } const_reverse_iterator rend() const noexcept { return const_reverse_iterator(begin()); } // ========== 元素访问 ========== // 普通访问（无边界检查，高效） reference operator[](size_type i) noexcept { return _M_elems[i]; } const_reference operator[](size_type i) const noexcept { return _M_elems[i]; } // 带边界检查的访问（调试/安全场景，越界抛异常） reference at(size_type i) { if (i >= N) { throw std::out_of_range("array::at: index out of bounds"); } return _M_elems[i]; } const_reference at(size_type i) const { if (i >= N) { throw std::out_of_range("array::at: index out of bounds"); } return _M_elems[i]; } // 首/尾元素访问 reference front() noexcept { return _M_elems[0]; } const_reference front() const noexcept { return _M_elems[0]; } reference back() noexcept { return _M_elems[N - 1]; } const_reference back() const noexcept { return _M_elems[N - 1]; } // 获取原始指针（兼容C风格数组） pointer data() noexcept { return _M_elems; } const_pointer data() const noexcept { return _M_elems; } // ========== 容量接口 ========== // 大小固定，size()返回编译期常量N constexpr size_type size() const noexcept { return N; } // 最大容量等于size（无扩容） constexpr size_type max_size() const noexcept { return N; } // 仅当N=0时为空 constexpr bool empty() const noexcept { return N == 0; } // ========== 操作接口 ========== // 填充所有元素为指定值 void fill(const T& value) { for (size_type i = 0; i < N; ++i) { _M_elems[i] = value; } } // 交换两个array（要求大小相同） void swap(array& other) noexcept { // 逐元素交换（或用std::swap_ranges，效率更高） for (size_type i = 0; i < N; ++i) { std::swap(_M_elems[i], other._M_elems[i]); } } // ========== 空数组特化（N=0） ========== // 当N=0时，_M_elems为空，需特殊处理迭代器（避免指针越界） template <typename T> class array<T, 0> { // 空数组无底层存储，迭代器返回nullptr或特殊标记 // 核心接口：size()=0，empty()=true，at()抛异常等 }; }; // ========== 全局swap函数（重载，匹配容器规范） ========== template <typename T, size_t N> void swap(array<T, N>& a, array<T, N>& b) noexcept { a.swap(b); } } // namespace std