《Hello C++》4.8 数组的替代品

ABSTRACT

  • 零基础读者可以按照章节顺序学习；
  • 已有基础的读者可以按主题查阅，并利用章节总结查漏补缺；
  • 示例代码应当亲手运行、修改和重新实现；
  • 标有标准版本或“选读”的内容，可以根据当前阶段灵活安排；
  • 忘记语法时不必硬背，可以使用第 17 章附录快速查询。

前面我们已经学习了数组，也知道了它可以用来存放一组相同类型的数据。数组凭借自身直接、速度快的特性，一直是 C++ 中非常基础、也非常重要的数据组织方式。不过，普通数组也有一些使用起来不方便的地方，比如大小一旦确定就不容易改变、数组长度信息不会自动跟着对象保存下来、传递给函数后还容易退化成指针。正因为这些原因，C++ 标准库里提供了两种很常用的数组替代品：std::vector 和 std::array。

它们并不是来“取代”数组的，而是提供了更适合某些场景的选择。你可以把它们理解成不同风格的工具，普通数组像一排固定长度的盒子，vector 像一个可以自动伸缩的收纳箱，而 array 则像一个大小固定、但更规整的盒子。

4.8.1 std::vector

TIP

std::vector定义于头文件 <vector>

std::vector 是 C++ 标准库中的动态数组容器[1]。它最常见的特点，就是大小可以在运行时自动增长或缩小。

程序代码4-8-1
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#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

int main()
{
    vector<int> numbers;

    numbers.push_back(10);
    numbers.push_back(20);
    numbers.push_back(30);

    for (int value : numbers)
    {
        cout << value << endl;
    }

    return 0;
}

程序代码4-8-1 先创建了一个空的 vector<int>，然后用 push_back() 依次往里面添加元素。你不用提前写死它的大小，只要需要就可以继续添加。vector 最大的优点之一就是 灵活。当你事先不知道要存多少个元素时，vector 往往比普通数组更合适。

vector 还有一个非常实用的特点，那就是它会自己记住当前有多少元素。你可以用 size() 来查看元素个数：

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cout << numbers.size() << endl;

因为普通数组的长度需要开发者手动计算，其本身并不会自动告诉你它有多长，但 vector 帮助开发人员省去了计算过程，直接调用“工具”便可获得结果，这比普通数组要方便得多。

4.8.2 std::array

TIP

std::array定义于头文件 <array>

std::array 是 C++11 引入的一个封装了固定大小数组的容器[2]。它和普通数组很像，因为它的大小在创建时就确定了，之后不能再改变。但它和普通数组又不完全一样，因为它是一个标准库对象，功能更完整，也更安全些。

程序代码4-8-2
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#include <iostream>
#include <array>

using namespace std;

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

    for (int value : values)
    {
        cout << value << endl;
    }

    return 0;
}

程序代码4-8-2 中，array<int, 5> 表示一个能够存放 5 个 int 的固定大小数组。和普通数组相比，array 的一个明显优点是，它是对象，所以你可以直接使用它的一些成员函数，比如 size()、at()、begin()、swap() 等。

1
cout << values.size() << endl;

如果你需要一个“大小固定，但又希望它更像标准库对象”的数组，std::array 就很合适。

4.8.3 普通数组、vector 和 array 的区别

这三者都能存放同类型的数据，但它们的特点并不一样。普通数组的特点是简单、直接、开销小。它是 C++ 里最基础的数据结构之一，速度快，也很贴近底层。vector 的特点是灵活。它能在运行时自动调整大小，还能方便地添加和删除元素，特别适合元素个数不确定的情况。array 的特点是固定大小、结构清晰。它和普通数组一样适合保存固定数量的数据，但又比普通数组更规整，因为它是一个完整的对象。

如果把它们放在一起比较，可以简单地记成这样：

  • 普通数组：最基础，最直接，但大小固定，功能较少；
  • vector: 最灵活，适合动态增长的数据；
  • array: 大小固定，但更现代、更安全。

4.8.4 它们在使用上的差别

普通数组的声明很直接：

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int a[5] = {1, 2, 3, 4, 5};

vector 的写法更像一个容器：

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vector<int> b = {1, 2, 3, 4, 5};

array 的写法则需要在类型里写出大小：

1
array<int, 5> c = {1, 2, 3, 4, 5};

它们都可以通过下标访问元素：

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cout << a[0] << endl;
cout << b[0] << endl;
cout << c[0] << endl;

TIP

截止目前，我们已经简单的了解了成员函数的存在，有读者可能会好奇，我在使用过程中怎么能知道 vector 和 array 分别有什么成员函数，以及他们都有什么用呢？没关系，先不用着急，STL 中有很多工具，他们分别都有自己的成员函数用来实现不同的功能。事实上很多开发者都不会全部记住这些成员函数，一来是太多，无法全部记忆；二来是更新频繁，每次标准更新都会添加新的或移除一些不安全的成员。我们只需要在使用过程中，学会查询即可，本书配套网站后续会添加标准库查询功能。

注意

vector 和 array 是对象，所以它们除了下标访问之外，还可以更自然地与标准库函数和算法配合。而普通数组则更接近底层，很多时候需要你自己额外小心边界和大小问题。

4.8.5 什么时候用哪个

如果你已经知道数据个数固定，而且不会改变，那么 array 或普通数组都可以。array 更现代一些，也更方便和标准库配合。如果你不知道要放多少数据，或者数据会在运行过程中不断增加，那通常就该考虑 vector。如果你正在做很底层、很接近 C 风格的代码，或者需要和旧代码兼容，普通数组仍然有它的价值。

换句话说，选择哪一种，不是看谁“更高级”，而是看谁更适合当前问题。

  1. std::vector，是 C++ 标准库中的动态数组容器。 ↩︎

  2. std::array，是 C++11 引入的固定大小数组容器。 ↩︎