C++ 里的“数组”

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C 数组的问题

0 ^- Q8 C8 D0 {0 ]8 QC 里面就有数组。但是，C 数组具有很多缺陷，使用中有很多的陷阱。我们先来看一下其中的几个问题。
7 v7 J! k+ O( F' h0 L问题一：传参退化问题你可以一眼看出下面代码的问题吗？

#define ARRAY_LEN(a) (sizeof(a) / sizeof((a)[0]))
void Test(int a[8]){    cout endl;}
如果函数 Test 被调用的话，它的输出结果一般不是 8，而是 2。C 的老手一定能看出问题所在，但新手很容易就迷糊了。
幸运的是，编译器现在一般能直接对这个问题进行告警。你应该会见到类似下面这样的告警信息：
warning: ‘sizeof’ on array function parameter ‘a’ will return size of ‘int *’ [-Wsizeof-array-argument]
cout
编译器会明确告诉你， a 被理解成了 int*，而不是数组。
! T$ f2 [6 h3 e9 w- S: E1 ^8 {问题二：复制问题跟上面退化问题紧密相关的一点是，C 数组不能被复制（所以传参有退化）。下面的代码无法通过编译：

. [) V' Y* \3 D9 y; |) S! m

int a[3] = {1, 2, 3};int b[3] = a;  // 不能编译b = a;         // 不能编译
复制和退化这两个问题是紧密相关的，但这种语言的不规则性还是带来了学习和理解上的困难。如果我们想要一个数组能够被复制，就得把它放到结构体（或联合体）里面去。这至少会带来语法上的不便。
问题三：语法问题C 数组的语法设计也绝对称不上有良好的可读性。你能一眼看出下面两个声明分别是什么意思吗？

int (*fpa[3])(const char*);int (*(*fp)(const char*))[3];
( E* j$ ?3 }# Z% L（下面会给出回答。）
: n  j) M6 Y1 b, S: v* A问题四：动态问题最早的 C 数组大小是完全固定的，这实际上既不方便又不安全。当然，我们可以用 malloc 来动态分配内存，到了 C99 还可以用变长数组，但它们要么使用不够方便，要么长度不能在创建后变化（如动态增长）。这些问题使得 C 的代码里常常在不该使用定长数组的时候也使用了定长数组，并很容易导致安全问题，如缓冲区溢出。

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C++ 的解决方案

C++ 有两种常用的替换 C 数组的方式：
vector
: T* o6 |# X% z4 Darray
' {9 Z2 L( Q- _4 `" H2 z- WvectorC++ 标准模板库（STL）的主要组成部分是：
* F! v5 m" r" V2 m4 g" Y容器
2 S9 b5 o3 X9 w) Z迭代器
) u" j4 r+ |& Q, h4 \算法
8 r9 l; A5 [+ O0 d1 }; I& h$ Y函数对象
而说到容器，我们通常第一个讨论的就是vector。它的名字来源于数学术语，直接翻译是“向量”的意思，但在实际应用中，我们把它当成动态数组更为合适。Alex Stepanov 在设计 STL 时借鉴 Scheme 和 Common Lisp 语言起了这个名字，但他后来承认这是个错误——这个容器不是数学里的向量，名字起得并不好。它基本相当于 Java 的 ArrayList 和 Python 的list。C++ 里有更接近数学里向量的对象，名字是valarray（很少有人使用，我也不打算介绍）。
vector 的成员在内存里连续存放。begin、end 成员函数返回的迭代器构成了一个半闭半开区间，而 front、back 成员函数则返回指向首项和尾项的引用，如下图所示：
6 v  e6 J8 [5 v1 z! \

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因为 vector 的元素放在堆上，它也自然可以受益于现代 C++ 的移动语义——移动 vector 具有很低的开销，通常只是操作六个指针而已。
! u- [) Q# X' a$ W下面的代码展示了 vector 的基本用法：
# c. S: y9 b4 H/ p7 E4 @
* Y3 w+ N1 S* S

vectorint> v{1, 2, 3, 4};v.push_back(5);v.insert(v.begin(), 0);for (size_t i = 0; i     cout ' ';  // 输出 0 1 2 3 4}cout '
';
6 Z1 W! L& }" i0 x$ \, X/ w7 D! {. J) Fint sum = 0;for (auto it = v.begin(); it != v.end(); ++it) {    sum += *it;}cout '
';      // 输出 15
上面的代码里我们首先构造了一个内容为 {1, 2, 3, 4} 的 vector，然后在尾部追加一项 5，在开头插入一项 0。接下来，我们使用传统的下标方式来遍历，并输出其中的每一项。随即我们展示了 C++ 里通用的使用迭代器遍历的做法，对其中的内容进行累加。最后输出结果。
当一个容器存在 push_… 和 pop_… 成员函数时，说明容器对指定位置的删除和插入性能较高。vector 适合在尾部操作，这是它的内存布局决定的（它只支持 push_back 而不支持 push_front）。只有在尾部插入和删除时，其他元素才会不需要移动，除非内存空间不足导致需要重新分配内存空间。
除了容器类的共同点，vector 允许下面的操作（不完全列表）：
) t& o+ c9 i& T; N- L% T2 y可以使用中括号的下标来访问其成员
! k2 M$ \* M/ Q3 h) {8 C可以使用 data 来获得指向其内容的裸指针
可以使用 capacity 来获得当前分配的存储空间的大小，以元素数量计
可以使用 reserve 来改变所需的存储空间的大小，成功后 capacity() 会改变
可以使用 resize 来改变其大小，成功后 size() 会改变
可以使用 pop_back 来删除最后一个元素
可以使用 push_back 在尾部插入一个元素
可以使用 insert 在指定位置前插入一个元素
可以使用 erase 在指定位置删除一个元素
可以使用 emplace 在指定位置构造一个元素
可以使用 emplace_back 在尾部新构造一个元素
& ?! b' \: h/ l/ D" w大家可以留意一下 push_… 和 pop_… 成员函数。它们存在时，说明容器对指定位置的删除和插入性能较高。vector 适合在尾部操作，这是它的内存布局决定的。只有在尾部插入和删除时，其他元素才会不需要移动，除非内存空间不足导致需要重新分配内存空间。
8 H- X5 u- f/ n% k  Q* w( h! D当 push_back、insert、reserve、resize 等函数导致内存重分配时，或当 insert、erase 导致元素位置移动时，vector 会试图把元素“移动”到新的内存区域。vector 的一些重要操作（如 push_back）试图提供强异常安全保证，即如果操作失败（发生异常）的话，vector 的内容完全不发生变化，就像数据库事务失败发生了回滚一样。如果元素类型没有提供一个保证不抛异常的移动构造函数，vector 此时通常会使用拷贝构造函数。因此，我们如果需要用移动来优化自己的元素类型的话，那不仅要定义移动构造函数（和移动赋值运算符，虽然 push_back 不要求），还应当将其标为 noexcept，或只在容器中放置对象的智能指针。
C++11 开始提供的 emplace… 系列函数是为了提升容器的插入性能而设计的。如果你的代码里有 vector v; 和 v.push_back(Obj())，那把后者改成 v.emplace_back() ，v 的结果相同，而性能则有所不同——使用 push_back 会额外生成临时对象，多一次（移动或拷贝）构造和析构。如果是移动的情况，那会有小幅性能损失；如果对象没有实现移动的话，那性能差异就可能比较大了。——作为简单的使用指南，当且仅当我们见到 v.push_back(Obj(…)) 这样的代码时，我们就应当改为 v.emplace_back(…)。
6 s2 ?; z5 A' I5 xarrayvector 解决了 C 数组的所有问题，但它毕竟不等价于 C 数组——堆内存分配的开销还是要比栈高得多。性能完全等同于 C 数组的 array 容器要到 C++11 才引入，虽然迟了点，但它最终在保留 C 数组性能的同时消除了前面列的头三个 C 数组的问题。
* u+ ~4 V* \" [: M8 n首先，array 没有不会自动退化。如果你希望高效传参，就应当用标准的引用传参的方式，如 void foo(const array& a）。如果你希望把指针传给 C 接口，你也可以写 foo(a.data())。如果函数接口就是想复制一个小数组，那使用 void foo(array a) 这样的形式也完全没有问题。
其次，跟上面的问题关联，array 有了合理的复制行为。下面的代码完全合法：
1 R! n4 `# q/ S/ |9 H# |$ r

arrayint, 3> a{1, 2, 3};arrayint, 3> b = a;  // OKb = a;                // OK
再次，从可读性角度，你来自己看一下你更喜欢读哪种风格的代码吧：
% y# }, O# x& A

// 函数指针的数组int (*fpa[3])(const char*);arrayint (*)(const char*), 3> fpa;
* W/ u0 z' Y+ n2 Z# H# x! c$ G* x  F// 返回整数数组指针的函数的指针int (*(*fp)(const char*))[3];arrayint, 3>* (*fp)(const char*);
array 的好处还不止这些。由于它的接口跟其他的容器更一致，更容易被使用在泛型代码中。你也可以直接拿两个 array 来进行 ==、
3 N0 `* i0 V5 @& B' U2 L0 n

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9 b9 u7 s' W# _2 R( ?: V6 L我的培训课程
" z, g" ^$ E, P& i/ z5 |

《现代 C++ 实战》是一个我讲过很多次的培训课程，重点在 C++ 语言提供的“现代”特性上，包括了 C++ 的主要惯用法和常用新特性。我会在课程里讨论：
. y) ]3 M9 X& ~- G$ Z5 c资源管理
) x) v# c) d  ?9 O7 C$ Y移动语义
+ m2 }6 q# p+ D5 U$ z. h7 j+ n智能指针
: [6 ?3 T# q% m, N容器
迭代器
现代 C++ 的易用性改进
) B- {$ ?: |/ P6 E3 v3 `模板
……
当然，课程是死的，课程里的交流、课后你自己的练习和拓展才是成长的关键。我希望我的课程能带给你一个看待 C++ 新视角，能在实践中加以应用；我希望你多多提出问题，由我来为你答疑解惑；我更希望你学完不是就那么结束了，而是牢牢记住一定要“学而时习之”，把课程的结束当成一个新的学习阶段的开始。只有这样，我的授课才不是白费力气。
作者 | 吴咏炜
出品 | 程序人生（ID：coder_life）
——EOF——你好，我是飞宇，本硕均于某中流985 CS就读，先后于百度搜索、字节跳动电商以及携程等部门担任Linux C/C++后端研发工程师。
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网址：https://top.interviewguide.cn/
7 c; x6 ]: D' y6 k) I* M+ s同时，我也是知乎博主@韩飞宇，日常分享C/C++、计算机学习经验、工作体会，欢迎点击此处查看我以前的学习笔记&经验&分享的资源。
1 U+ Q8 n2 n0 m) D5 R9 F1 Y- W: {我组建了一些社群一起交流，群里有大牛也有小白，如果你有意可以一起进群交流。
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欢迎你添加我的微信，我拉你进技术交流群。此外，我也会经常在微信上分享一些计算机学习经验以及工作体验，还有一些内推机会。

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9 T4 [! V: O0 H1 k  N1 f# U% m1 ?加个微信，打开另一扇窗

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