C++ 容器类 <array>（快速上手）

C++ 容器类 入门指南：用它替代原生数组

在 C++ 编程中，我们常常需要存储一组相同类型的数据。过去，我们习惯用原生数组，比如 int data[10];。虽然它简单直接，但存在诸多隐患：无法自动管理内存、缺乏边界检查、不能作为函数参数传递时保留大小信息。而 C++ 标准库提供的容器类 ，正是为了解决这些问题而生。

是一个固定大小的序列容器，它结合了数组的高效性和容器的易用性。它在编译时就确定大小，因此性能极高，且支持迭代器、大小查询、边界检查等现代容器特性。对于需要高性能、固定长度数据结构的场景， 是绝佳选择。

如果你正在从 C 风格数组转向更安全、更现代的 C++ 编程，那么掌握 是必经之路。接下来，我们就从基础用法到高级技巧，一步步带你玩转这个强大的容器类。

创建数组与初始化

使用 需要包含头文件 <array>，这是所有操作的基础。

#include <array>
#include <iostream>

int main() {
    // 方法1：直接指定大小和初始化值
    std::array<int, 5> numbers = {10, 20, 30, 40, 50};

    // 方法2：仅指定大小，自动初始化为0
    std::array<double, 3> scores = {};

    // 方法3：使用列表初始化，大小可推导
    std::array grades = {85, 92, 78, 96};

    // 输出验证
    for (const auto& value : numbers) {
        std::cout << value << " ";
    }
    std::cout << "\n";

    return 0;
}

注释说明：

• std::array<T, N> 中，T 是元素类型，N 是数组大小（必须是编译时常量）。
• 使用花括号 {} 初始化时，若数量不足，剩余元素将被默认初始化（如 int 为 0）。
• 如果不指定大小，编译器会根据初始化列表自动推导（C++ 17 起支持）。
• const auto& 是推荐的遍历方式，避免拷贝，提高性能。

这个写法比原生数组更安全，因为编译器会检查初始化列表长度是否匹配大小。如果写错了，比如 std::array<int, 3> a = {1,2,3,4};，编译器会报错，而不是默默越界。

访问元素与边界检查

提供了两种访问方式：下标访问和 at() 方法。区别在于是否进行运行时边界检查。

#include <array>
#include <iostream>
#include <stdexcept>

int main() {
    std::array<int, 4> data = {100, 200, 300, 400};

    // 使用下标访问（不检查边界）
    std::cout << "data[0] = " << data[0] << "\n";  // 输出 100
    std::cout << "data[3] = " << data[3] << "\n";  // 输出 400

    // 使用 at() 方法（会检查边界，越界时抛异常）
    try {
        std::cout << "data.at(5) = " << data.at(5) << "\n";
    } catch (const std::out_of_range& e) {
        std::cout << "错误：索引超出范围！" << "\n";
    }

    return 0;
}

注释说明：

• data[0] 是快速访问，适合性能敏感场景。
• data.at(5) 会检查索引是否在 [0, size()) 范围内，如果越界，抛出 std::out_of_range 异常。
• 在调试阶段建议用 at()，能帮你尽早发现逻辑错误；发布版本可使用 [] 提升性能。

想象一下， 就像一个带密码锁的保险箱。[] 是直接开门，快但可能误开；at() 是输入密码验证，慢但安全。两者各有所长，选择取决于你的使用场景。

容器特性与成员函数

虽然大小固定，但它提供了许多标准容器的通用接口，让你能像操作 vector 一样操作它。

#include <array>
#include <iostream>

int main() {
    std::array<std::string, 3> fruits = {"苹果", "香蕉", "橙子"};

    // 获取大小
    std::cout << "元素个数: " << fruits.size() << "\n";

    // 判断是否为空
    std::cout << "是否为空: " << (fruits.empty() ? "是" : "否") << "\n";

    // 获取第一个和最后一个元素
    std::cout << "第一个: " << fruits.front() << "\n";
    std::cout << "最后一个: " << fruits.back() << "\n";

    // 使用数据指针（兼容 C 风格函数）
    const char* c_str = fruits.data();  // 返回指向第一个元素的指针
    std::cout << "C 风格指针: " << c_str << "\n";

    return 0;
}

注释说明：

• size() 返回容器大小，是 constexpr，可在编译时计算。
• empty() 判断是否为空，对 来说只有大小为 0 才返回 true。
• front() 和 back() 分别返回首尾元素，等价于 data[0] 和 data[size()-1]。
• data() 返回指向内部存储的原始指针，用于与 C 语言 API 兼容。

这些接口让 能无缝融入现代 C++ 的算法库（如 <algorithm>），比如你可以用 std::sort 对它排序：

std::sort(fruits.begin(), fruits.end());

与原生数组的对比

为什么不用 int arr[5];？让我们通过对比来看 的优势。

比如，以下函数参数传递方式， 更清晰：

// 原生数组：会退化为指针，大小丢失
void process_array(int arr[], int size) {
    // 无法知道 arr 实际大小
}

// <array>：保留大小信息
void process_array(const std::array<int, 5>& data) {
    std::cout << "大小: " << data.size() << "\n";  // 可直接获取
}

在代码可读性和类型安全上， 明显胜出。

实际应用案例：学生成绩管理

假设我们要管理一个班级的 5 名学生考试成绩。

#include <array>
#include <iostream>
#include <iomanip>

int main() {
    // 使用 <array> 存储 5 个学生的成绩
    std::array<double, 5> scores = {88.5, 92.0, 76.5, 95.5, 83.0};

    // 计算平均分
    double sum = 0.0;
    for (const auto& score : scores) {
        sum += score;
    }
    double avg = sum / scores.size();

    // 输出结果
    std::cout << std::fixed << std::setprecision(1);
    std::cout << "成绩列表: ";
    for (const auto& s : scores) {
        std::cout << s << " ";
    }
    std::cout << "\n平均分: " << avg << "\n";

    return 0;
}

注释说明：

• 使用 std::setprecision(1) 控制小数位数。
• 遍历使用范围 for 循环，简洁且安全。
• scores.size() 确保不会因硬编码数字出错。

这个例子展示了 在实际项目中的实用性：固定长度、类型安全、易于维护。

总结

C++ 容器类 是一个兼具性能与安全性的优秀工具。它不是 vector 的替代品，而是为“固定大小、高性能”场景量身打造的。当你知道数据长度不会变化，又希望拥有现代容器的便利时， 就是你的首选。

它不仅保留了数组的零开销优势，还提供了边界检查、迭代器、成员函数等现代特性，使代码更健壮、更易读。对于 C++ 初学者来说，掌握 能帮助你摆脱 C 风格数组的陷阱；对于中级开发者，它是提升代码质量的利器。

在未来的项目中，不妨多用 替代原生数组。你会发现，代码不仅更安全，调试也更容易。记住：“固定大小不等于不灵活” —— 就是这句话的最佳诠释。