array

array

std::array 是 C++11 引入的固定大小数组封装类，本质就是对原生数组 T[N] 的安全封装，提供了 STL 容器的接口支持（如迭代器、begin()、size()、fill()等）。

适合在栈上存储、大小已知的固定数组，功能强于 C 风格数组，效率接近裸数组。

基本语法与使用

#include <array>

std::array<int, 5> arr = {1, 2, 3, 4, 5};
arr[0] = 10;
arr.at(1) = 20;
arr.size();           // == 5
arr.fill(0);          // 全部置为 0

底层实现原理

template<typename T, std::size_t N>
struct array {
    T elems[N];  // 本质就是原生数组
    ...
};

• 固定大小：N 是模板参数，编译时决定
• 栈上分配：不像 vector 使用堆内存
• 内存连续：与 T[N] 一样，可与 C 接口兼容
• 无扩容能力：只能用于固定数量元素的场景

常用接口

接口	功能
at(i)	越界检查访问
operator[]	快速访问
front() / back()	首/尾元素
size()	返回元素数量（编译期常量）
fill(val)	全部赋值为 val
begin() / end()	STL 迭代器支持
data()	返回底层 T* 指针

for (int x : arr) {}
std::sort(arr.begin(), arr.end());

与其他容器对比

容器	是否定长	是否可扩容	是否连续内存	是否支持 STL 算法
array	✅	❌	✅	✅
vector	❌	✅	✅	✅
list	❌	✅	❌（链式）	✅
C 数组 T[]	✅	❌	✅	❌（无接口）

典型场景

固定大小的缓存、结构体字段

std::array<uint8_t, 16> uuid;
std::array<char, 128> buffer;

与 C 接口交互

void foo(char* buf);
std::array<char, 128> buffer;
foo(buffer.data());

注意事项

不能 resize

arr.resize(10); // 编译错误

不能推导长度

std::array a = {1,2,3}; // 错误，必须写明长度

必须这样写：

std::array<int, 3> a = {1, 2, 3};

（C++20 支持 std::to_array() 自动推导）

和 C 数组区别

特性	T[N]	std::array<T,N>
默认初始化	❌	✅（值初始化或空）
拷贝赋值	❌	✅
成员函数	❌	✅（fill, size 等）
支持 STL 算法	❌	✅
传参变指针	✅（退化）	❌（保持类型）

对于原生数组 int arr[3];，不能直接用赋值操作或拷贝构造：

int arr1[3] = {1,2,3};
int arr2[3];
arr2 = arr1;  // 编译错误，数组不支持赋值操作

但 std::array 是一个封装类，支持默认的拷贝构造和赋值运算符：

std::array<int, 3> a = {1,2,3};
std::array<int, 3> b;
b = a;          // 元素逐个拷贝

std::array vs std::vector 使用场景选择

特性/场景	std::array	std::vector
大小是否固定	✅ 固定，编译期确定大小	❌ 动态，可运行时调整大小
内存分配	栈上分配（或内嵌对象内存）	堆上分配，动态管理
性能	高，连续内存，无堆开销	稍低，可能有扩容和堆分配开销
安全性	较高，支持 .at() 越界检查	较高，支持 .at() 越界检查
是否支持动态扩容	❌ 不支持	✅ 支持
适合场景	- 元素数量固定 - 小数组或嵌套数组 - 性能敏感的栈空间操作	- 元素数量不固定 - 需要频繁插入删除 - 容器大小动态变化
使用方便程度	简单，接口少	丰富，功能强大
迭代器稳定性	永远有效	可能失效（扩容、插入、删除）
与 C 接口兼容性	高，直接可获取指针，且指针有效期稳定	高，但需注意扩容导致地址变化
示例	std::array<int, 4> a = {1,2,3,4};	std::vector<int> v = {1,2,3,4};

何时选用 std::array

• 元素数量固定且已知，编译期大小确定。
• 需要最高性能，避免堆分配和内存碎片。
• 作为类成员，方便拷贝和赋值。
• 用于小型缓存、固定格式数据（如颜色通道、坐标点）。
• 需要和 C 接口无缝兼容。

何时选用 std::vector

• 元素数量不确定或动态变化。
• 需要频繁插入、删除或调整大小。
• 容器大小大或数据量庞大，堆分配更灵活。
• 希望利用丰富的 STL 算法和适配器。
• 需要可变长度数组行为。

额外建议

• 对于性能极限场景，优先考虑 std::array，避免堆分配。
• 不确定大小时，用 std::vector。
• C++20 以后可用 std::span 作为 array 和 vector 共享的轻量视图，避免拷贝。

作为类成员 / 模板参数

struct Packet {
    std::array<uint8_t, 256> data;
};

或者传入函数：

template<std::size_t N>
void print(const std::array<int, N>& arr) {
    for (auto x : arr) std::cout << x << " ";
}