17.x — 第 17 章总结和测验

章节回顾

固定大小数组（或定长数组）要求数组的长度在实例化时已知，并且该长度之后不能更改。C 风格数组和 std::array 都是固定大小数组。动态数组可以在运行时调整大小。std::vector 是一个动态数组。

std::array 的长度必须是一个常量表达式。通常，为长度提供的值将是整数文字、constexpr 变量或无作用域枚举器。

std::array 是一个聚合体。这意味着它没有构造函数，而是使用聚合初始化进行初始化。

尽可能将 std::array 定义为 constexpr。如果您的 std::array 不是 constexpr，请考虑改用 std::vector。

使用类模板参数推导 (CTAD) 让编译器从其初始化器推导 std::array 的类型和长度。

std::array 被实现为一个模板结构体，其声明如下：

template<typename T, std::size_t N> // N is a non-type template parameter
struct array;

表示数组长度的非类型模板参数 (N) 的类型为 std::size_t。

获取 std::array 的长度

我们可以使用 size() 成员函数（返回长度为无符号 size_type）询问 std::array 对象的长度。
在 C++17 中，我们可以使用 std::size() 非成员函数（对于 std::array，它只是调用 size() 成员函数，因此返回长度为无符号 size_type）。
在 C++20 中，我们可以使用 std::ssize() 非成员函数，它返回长度作为一个大的有符号整型（通常是 std::ptrdiff_t）。

所有这三个函数都将返回长度作为一个 constexpr 值，除非在通过引用传递的 std::array 上调用。此缺陷已在 C++23 中通过 P2280 解决。

索引 std::array

使用下标运算符（operator[]）。在这种情况下不进行边界检查，传入无效索引将导致未定义行为。
使用 at() 成员函数，它在运行时进行下标操作并进行边界检查。我们建议避免使用此函数，因为我们通常希望在索引之前进行边界检查，或者我们希望进行编译时边界检查。
使用 std::get() 函数模板，它将索引作为非类型模板参数，并进行编译时边界检查。

您可以使用模板参数声明 template <typename T, std::size_t N> 将具有不同元素类型和长度的 std::array 传递给函数。或者在 C++20 中，使用 template <typename T, auto N>。

按值返回 std::array 将复制数组和所有元素，但如果数组很小且元素复制成本不高，这可能是可以接受的。在某些情况下，使用输出参数可能是一个更好的选择。

当使用结构体、类或数组初始化 std::array 并且不为每个初始化器提供元素类型时，您需要额外的一对大括号，以便编译器能够正确解释要初始化什么。这是聚合初始化的一个产物，其他标准库容器类型（使用列表构造函数）在这种情况下不需要双大括号。

C++ 中的聚合体支持一种称为大括号省略的概念，它规定了一些何时可以省略多个大括号的规则。通常，当用标量（单个）值初始化 std::array，或当用类类型或数组初始化时，并且每个元素都明确指定了类型时，可以省略大括号。

不能有引用数组，但可以有 std::reference_wrapper 数组，其行为类似于可修改的左值引用。

关于 std::reference_wrapper，有几点值得注意：

Operator= 将重新设置 std::reference_wrapper（更改引用的对象）。
std::reference_wrapper<T> 将隐式转换为 T&。
get() 成员函数可用于获取 T&。当我们想要更新所引用对象的值时，这很有用。

提供了 std::ref() 和 std::cref() 函数作为创建 std::reference_wrapper 和 const std::reference_wrapper 包装对象的快捷方式。

尽可能使用 static_assert 来确保使用 CTAD 的 constexpr std::array 具有正确数量的初始化器。

C 风格数组继承自 C 语言，并且是 C++ 核心语言的内置部分。因为它们是核心语言的一部分，C 风格数组有自己特殊的声明语法。在 C 风格数组声明中，我们使用方括号 ([]) 告诉编译器声明的对象是一个 C 风格数组。在方括号内，我们可以选择提供数组的长度，它是一个 std::size_t 类型的整数值，告诉编译器数组中有多少个元素。C 风格数组的长度必须是一个常量表达式。

C 风格数组是聚合体，这意味着它们可以使用聚合初始化进行初始化。当使用初始化列表初始化 C 风格数组的所有元素时，最好省略长度，让编译器计算数组的长度。

C 风格数组可以通过 operator[] 进行索引。C 风格数组的索引可以是带符号或无符号整数，也可以是无作用域枚举。这意味着 C 风格数组不受标准库容器类所有符号转换索引问题的影响！

C 风格数组可以是 const 或 constexpr。

获取 C 风格数组的长度

在 C++17 中，我们可以使用 std::size() 非成员函数，它返回无符号的 std::size_t 类型长度。
在 C++20 中，我们可以使用 std::ssize() 非成员函数，它返回长度作为一个大的有符号整型（通常是 std::ptrdiff_t）。

在大多数情况下，当 C 风格数组在表达式中使用时，数组将被隐式转换为指向元素类型的指针，并用第一个元素（索引为 0）的地址初始化。通俗地说，这被称为数组衰减（或简称衰减）。

指针算术是一种特性，允许我们对指针应用某些整数算术运算符（加、减、增、减）以产生新的内存地址。给定一些指针 ptr，ptr + 1 返回内存中下一个对象的地址（基于指向的类型）。

当从数组开头（元素 0）索引时使用下标，这样数组索引与元素对齐。
当从给定元素进行相对定位时，使用指针算术。

C 风格字符串只是元素类型为 char 或 const char 的 C 风格数组。因此，C 风格字符串会衰减。

数组的维数是选择一个元素所需的索引数量。

只包含一个维度的数组称为单维数组（有时缩写为 1d 数组）。数组的数组称为二维数组（有时缩写为 2d 数组），因为它有两个下标。具有多个维度的数组称为多维数组。扁平化数组是减少数组维度的过程（通常减少到单个维度）。

在 C++23 中，std::mdspan 是一个视图，为连续的元素序列提供多维数组接口。

小测验时间

问题 #1

这些片段有什么问题，你将如何修复它们？

#include <array>
#include <iostream>

int main()
{
    std::array arr { 0, 1, 2, 3 };

    for (std::size_t count{ 0 }; count <= std::size(arr); ++count)
    {
        std::cout << arr[count] << ' ';
    }

    std::cout << '\n';

    return 0;
}