std::array

本節解決什麼問題

C 風格數組（int arr[5]）有很多缺點：不能直接賦值、傳給函數時會退化成指針丟失大小信息、沒有邊界檢查。而 std::vector 雖然功能強大，但它是動態分配內存的，有微小的額外開銷。

std::array 解決的是：當你需要一個編譯期確定大小、棧上分配的數組時，提供一個和 C 數組一樣快、但擁有 STL 容器接口（有 size()、有迭代器、可賦值）的安全數組。

這個特性是什麼

std::array<T, N> 是 STL 中封裝了固定大小數組的容器模板。它大小在編譯時確定，不動態分配內存（在棧上），包裝了 C 數組同時提供 STL 容器的標準接口。

C++ 標準版本

C++11

需要的頭文件

#include <array>

運行/觀察結果： 這段是語法或接口示例，重點觀察寫法；放入完整程序後再運行驗證。

基本語法

std::array<元素类型, 大小> 变量名;            // 默认初始化（值未定义）
std::array<元素类型, 大小> 变量名 = {};        // 全部初始化为零
std::array<元素类型, 大小> 变量名 = {v1, v2, ...}; // 列表初始化

運行/觀察結果： 這段是語法片段，重點看寫法；補全上下文後再運行。

常用用法

示例代碼

示例 1：創建 array 並訪問元素

#include <iostream>
#include <array>

int main()
{
    // 创建一个包含 5 个 int 的 array，并初始化
    std::array<int, 5> arr = {10, 20, 30, 40, 50};

    // 用下标访问
    std::cout << "arr[0] = " << arr[0] << "\n";
    std::cout << "arr[4] = " << arr[4] << "\n";

    // 用 size() 获取大小
    std::cout << "size = " << arr.size() << "\n";

    return 0;
}

運行結果：

arr[0] = 10
arr[4] = 50
size = 5

示例 2：在示例 1 基礎上，用 at() 安全訪問和 fill() 填充

#include <iostream>
#include <array>

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

    // 用 at() 安全访问
    std::cout << "arr.at(2) = " << arr.at(2) << "\n";

    // 用 fill() 将所有元素设为同一个值
    arr.fill(99);

    std::cout << "after fill: ";
    for (int n : arr)
    {
        std::cout << n << " ";
    }
    std::cout << "\n";

    return 0;
}

運行結果：

arr.at(2) = 30
after fill: 99 99 99 99 99 

示例 3：在示例 2 基礎上，對比 C 數組和 std::array 傳遞參數

#include <iostream>
#include <array>

// C 风格：数组退化为指针，丢失大小信息
void print_c_array(int* arr, int size)
{
    std::cout << "C array: ";
    for (int i = 0; i < size; ++i)
    {
        std::cout << arr[i] << " ";
    }
    std::cout << "\n";
}

// std::array：大小信息不丢失
void print_std_array(const std::array<int, 5>& arr)
{
    std::cout << "std::array: ";
    for (int n : arr)
    {
        std::cout << n << " ";
    }
    std::cout << "\n";
    std::cout << "size from inside function = " << arr.size() << "\n";
}

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

    // C 风格：需要额外传大小
    print_c_array(arr.data(), arr.size());

    // std::array：自带大小信息
    print_std_array(arr);

    return 0;
}

運行結果：

C array: 1 2 3 4 5 
std::array: 1 2 3 4 5 
size from inside function = 5

運行結果

見上方每個示例的"運行結果"。

示例中的關鍵語法解釋

array 和 vector 的區別什麼時候明顯

如果只是存 5 個整數，array 和 vector 看起來都能用。但放到工程裡，差異主要體現在“大小是否固定”和“是否需要動態擴容”：

array 更像“有 STL 接口的固定數組”，vector 更像“會變長的數組”。不要因為 array 更輕量就到處用它：只要元素個數運行時才知道，就應該用 vector。

示例 4：固定三軸數據更適合 array

#include <array>
#include <iostream>

// std::array 是固定长度数组，长度在编译期就确定。
double norm3(const std::array<double, 3>& v)
{
    return v[0] * v[0] + v[1] * v[1] + v[2] * v[2];
}

int main()
{
    // 程序从 main 函数开始执行，下面的语句会按顺序运行。
    std::array<double, 3> accel = {0.1, 0.2, 9.8};

    std::cout << "accel size = " << accel.size() << "\n";
    std::cout << "squared norm = " << norm3(accel) << "\n";

    return 0;
}

運行結果：

accel size = 3
squared norm = 96.09

這個例子中，三軸數據必須正好是 3 個值。用 std::array<double, 3> 可以把這個約束寫進類型裡；如果誤傳 std::array<double, 2>，編譯期就會報錯。

常見錯誤

錯誤 1：用變量指定 array 大小

int n = 5;
std::array<int, n> arr;  // ❌ 编译错误！n 必须是编译期常量

運行/觀察結果： 這段是語法或接口示例，重點觀察寫法；放入完整程序後再運行驗證。

正確做法：用 constexpr 常量，或者改用 std::vector。

錯誤 2：忘記初始化就訪問

std::array<int, 5> arr;   // 值未定义（栈上的垃圾值）
std::cout << arr[0];      // ❌ 未定义行为

運行/觀察結果： 運行後會按輸出語句打印對應內容，變量值可結合初始化、賦值和函數調用順序推導。

正確做法：用 {} 初始化或 fill()。

錯誤 3：不同大小的 array 互相賦值

std::array<int, 3> a = {1, 2, 3};
std::array<int, 5> b = a;  // ❌ 编译错误！类型不同

運行/觀察結果： 這段是語法或接口示例，重點觀察寫法；放入完整程序後再運行驗證。

正確做法：std::array<int,3> 和 std::array<int,5> 是不同的類型，不能互相賦值。

使用建議

1. 編譯期確定大小用 array：如果大小在編譯時就已知，用 std::array 比 std::vector 更輕量（無堆分配）。
2. 代替 C 數組：能用 std::array 的地方就不要用 int arr[N]。
3. 傳參注意大小：std::array<T, N> 的大小是類型的一部分，函數簽名要指定 N。
4. 可賦值：和 C 數組不同，std::array 能用 = 整體賦值（相同類型）。

小結

• std::array<T, N> 封裝了固定大小的數組，大小在編譯期確定。
• 擁有 STL 容器的標準接口（size()、at()、迭代器等）。
• 可以整體賦值，傳給函數時不會退化為指針，大小信息不丟失。
• 適用於編譯期已知大小的場景，比 vector 更輕量。