std::array是在C 11標準中增加的STL容器，它的設計目的是提供與原生數組類似的功能與性能。也正因此，使得std::array有很多與其他容器不同的特殊之處，比如：std::array的元素是直接存放在實例內部，而不是在堆上分配空間；std::array的大小必須在編譯期確定；std::array的構造函數、析構函數和賦值操作符都是編譯器隱式聲明的……這讓很s多用慣了std::vector這類容器的程序員不習慣，覺得std::array不好用。

但實際上，std::array的威力很可能被低估了。在這篇文章里，我會從各個角度介紹下std::array的用法，希望能帶來一些啟發。

本文的代碼都在C 17環境下編譯運行。當前主流的g 版本已經能支持C 17標準，但是很多版本（如gcc 7.3）的C 17特性不是默認打開的，需要手工添加編譯選項-std=c 17。

自動推導數組大小

很多項目中都會有類似這樣的全局數組作為配置參數：

uint32_t?g_cfgPara[]?=?{1,?2,?5,?6,?7,?9,?3,?4};

當程序員想要使用std::array替換原生數組時，麻煩來了：

array?g_cfgPara?=?{1,?2,?5,?6,?7,?9,?3,?4};??//?注意模板參數“8”

程序員不得不手工寫出數組的大小，因為它是std::array的模板參數之一。如果這個數組很長，或者經常增刪成員，對數組大小的維護工作恐怕不是那么愉快的。有人要抱怨了：std::array的聲明用起來還沒有原生數組方便，選它干啥？

但是，這個抱怨只該限于C 17之前，?C 17帶來了類模板參數推導特性，?你不再需要手工指定類模板的參數：

array?g_cfgPara?=?{1,?2,?5,?6,?7,?9,?3,?4};??//?數組大小與成員類型自動推導

看起來很美好，但很快就會有人發現不對頭：數組元素的類型是什么？還是std::uint32_t嗎？

有人開始嘗試只提供元素類型參數，讓編譯器自動推導長度，遺憾的是，它不會奏效。

array?g_cfgPara?=?{1,?2,?5,?6,?7,?9,?3,?4};??//?編譯錯誤

好吧，暫時看起來std::array是不能像原生數組那樣聲明。下面我們來解決這個問題。

用函數返回std::array

問題的解決思路是用函數模板來替代類模板——因為C 允許函數模板的部分參數自動推導——我們可以聯想到std::make_pair、std::make_tuple這類輔助函數。巧的是，?C 標準真的在TS v2試驗版本中推出過std::make_array，?然而因為類模板參數推導的問世，這個工具函數后來被刪掉了。

但顯然，用戶的需求還是存在的。于是在C 20中，?又新增了一個輔助函數std::to_array。

別被C 20給嚇到了，這個函數的代碼其實很簡單，我們可以把它拿過來定義在自己的C 17代碼中[1]。

template<typename R, typename P, size_t N, size_t... I>constexpr array to_array_impl(P (&a)[N], std::index_sequence) noexcept{ ? ?return { {a[I]...} };} template<typename T, size_t N>constexpr auto to_array(T (&a)[N]) noexcept{ ? ?return to_array_impl<std::remove_cv_t, T, N>(a, std::make_index_sequence{});} template<typename R, typename P, size_t N, size_t... I>constexpr array to_array_impl(P (&&a)[N], std::index_sequence) noexcept{ ? ?return { {move(a[I])...} };} template<typename T, size_t N>constexpr auto to_array(T (&&a)[N]) noexcept{ ? ?return to_array_impl<std::remove_cv_t, T, N>(move(a), std::make_index_sequence{});}

細心的朋友會注意到，上面這個定義與C 20的推薦實現有所差異，這是有目的的。稍后我會解釋這么干的原因。

現在讓我們嘗試下用新方法解決老問題：

auto?g_cfgPara?=?to_array({1,?2,?5,?6,?7,?9,?3,?4});??//?類型不是uint32_t？

不對啊，為什么元素類型不是原來的std::uint32_t？

這是因為模板參數推導對std::initializer_list的元素拒絕隱式轉換，如果你把to_array的模板參數從int改為uint32_t，會得到如下編譯錯誤：

D:\Work\Source_Codes\MyProgram\VSCode\main.cpp:51:61:?error:?no?matching?function?for?call?to?'to_array(<brace-enclosed?initializer?list>)'?auto?g_cfgPara?=?to_array({1,?2,?5,?6,?7,?9,?3,?4});D:\Work\Source_Codes\MyProgram\VSCode\main.cpp:34:16:?note:?candidate:?'template<class?T,?long?long?unsigned?int?N>?constexpr?auto?to_array(T?(&)[N])'?constexpr?auto?to_array(T?(&a)[N])?noexcept????????????????^~~~~~~~D:\Work\Source_Codes\MyProgram\VSCode\main.cpp:34:16:?note:???template?argument?deduction/substitution?failed:D:\Work\Source_Codes\MyProgram\VSCode\main.cpp:51:61:?note:???mismatched?types?'unsigned?int'?and?'int'?auto?g_cfgPara?=?to_array({1,?2,?5,?6,?7,?9,?3,?4});D:\Work\Source_Codes\MyProgram\VSCode\main.cpp:46:16:?note:?candidate:?'template<class?T,?long?long?unsigned?int?N>?constexpr?auto?to_array(T?(&&)[N])'?constexpr?auto?to_array(T?(&&a)[N])?noexcept????????????????^~~~~~~~D:\Work\Source_Codes\MyProgram\VSCode\main.cpp:46:16:?note:???template?argument?deduction/substitution?failed:D:\Work\Source_Codes\MyProgram\VSCode\main.cpp:51:61:?note:???mismatched?types?'unsigned?int'?and?'int'

Hoho，有點慘是不，繞了一圈回到原點，還是不能強制指定類型。

這個時候，之前針對std::array做的修改派上用場了：我給to_array_impl增加了一個模板參數，讓輸入數組的元素和返回std::array的元素用不同的類型參數表示，這樣就給類型轉換帶來了可能。為了實現轉換到指定的類型，我們還需要添加兩個工具函數：

template<typename R, typename P, size_t N>constexpr auto to_typed_array(P (&a)[N]) noexcept{ ? ?return to_array_impl(a, std::make_index_sequence{});} template<typename R, typename P, size_t N>constexpr auto to_typed_array(P (&&a)[N]) noexcept{ ? ?return to_array_impl(move(a), std::make_index_sequence{});}

這兩個函數和to_array的區別是：它帶有3個模板參數：第一個是要返回的std::array的元素類型，后兩個和to_array一樣。這樣我們就可以通過指定第一個參數來實現定制std::array元素類型了。

auto?g_cfgPara?=?to_typed_array({1,?2,?5,?6,?7,?9,?3,?4});??//?自動把元素轉換成uint32_t

這段代碼可以編譯通過和運行，但是卻有類型轉換的編譯告警。當然，如果你膽子夠大，可以在to_array_impl函數中放一個static_cast來消除告警。但是編譯告警提示了我們一個不能忽視的問題：如果萬一輸入的數值溢出了怎么辦？

auto?g_a?=?to_typed_array({256,?-1});??//?數字超出uint8_t范圍

編譯器還是一樣的會讓你編譯通過和運行，g_a中的兩個元素的值將分別為0和255。如果你不明白為什么這兩個值和入參不一樣，你該復習下整型溢出與回繞的知識了。

顯然，這個方案還不完美。但我們可以繼續改進。

編譯期字面量數值合法性校驗

首先能想到的做法是在to_array_impl函數中放入一個if判斷之類的語句，對于超出目標數值范圍的輸入拋出異常或者做其他處理。這當然可行，但要注意的是這些工具函數是可以在運行期調用的，對于這種常用的基礎函數來說，性能至關重要。一旦在里面加入了錯誤判斷，意味著運行時的每一次調用性能都會下降。

理想的設計是：只有在編譯期生成的數組才進行校驗，并且報編譯錯誤。但運行時調用函數時不要加入任何校驗。

可惜的是，至少在C 20之前，沒有辦法指定函數只允許在編譯期執行[2]。那有沒有其他手段呢？

熟悉C 的人知道：C 的編譯期處理大多可以用模板的trick來完成——因為模板參數一定是編譯期常量。因此我們可以用模板參數來完成編譯期處理——只要把數組元素全部作為模板的非類型參數就可以了。當然，這里有個問題：模板的非類型參數的類型怎么確定？正好C 17提供了auto模板參數的功能，可以派上用場：

template<typename T>constexpr void CheckIntRanges() noexcept {} ?// 用于終結遞歸 template<typename T, auto M, auto... N>constexpr void CheckIntRanges() noexcept

總結

以上是生活随笔為你收集整理的C 语言中std::array的神奇用法总结的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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