詳解C++語(yǔ)言中std::array的神奇用法

更新時(shí)間：2021年05月18日 15:57:12 作者：華為云開(kāi)發(fā)者社區(qū)

本文的代碼都在C++17環(huán)境下編譯運(yùn)行。當(dāng)前主流的g++版本已經(jīng)能支持C++17標(biāo)準(zhǔn)，但是很多版本（如gcc 7.3）的C++17特性不是默認(rèn)打開(kāi)的，需要手工添加編譯選項(xiàng)-std=c++17，具體內(nèi)容詳情跟隨小編一起學(xué)習(xí)吧

概述

std::array是在C++11標(biāo)準(zhǔn)中增加的STL容器，它的設(shè)計(jì)目的是提供與原生數(shù)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(shí)例內(nèi)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(gòu)造函數(shù)、析構(gòu)函數(shù)和賦值操作符都是編譯器隱式聲明的……這讓很多用慣了std::vector這類容器的程序員不習(xí)慣，覺(jué)得std::array不好用。但實(shí)際上，std::array的威力很可能被低估了。在這篇文章里，我會(huì)從各個(gè)角度介紹下std::array的用法，希望能帶來(lái)一些啟發(fā)。

本文的代碼都在C++17環(huán)境下編譯運(yùn)行。當(dāng)前主流的g++版本已經(jīng)能支持C++17標(biāo)準(zhǔn)，但是很多版本（如gcc 7.3）的C++17特性不是默認(rèn)打開(kāi)的，需要手工添加編譯選項(xiàng)-std=c++17。

自動(dòng)推導(dǎo)數(shù)組大小

很多項(xiàng)目中都會(huì)有類似這樣的全局?jǐn)?shù)組作為配置參數(shù)：

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

當(dāng)程序員想要使用std::array替換原生數(shù)組時(shí)，麻煩來(lái)了：

array<uint32_t, 8> g_cfgPara = {1, 2, 5, 6, 7, 9, 3, 4};  // 注意模板參數(shù)“8”

程序員不得不手工寫出數(shù)組的大小，因?yàn)樗莝td::array的模板參數(shù)之一。如果這個(gè)數(shù)組很長(zhǎng)，或者經(jīng)常增刪成員，對(duì)數(shù)組大小的維護(hù)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(lái)還沒(méi)有原生數(shù)組方便，選它干啥？

但是，這個(gè)抱怨只該限于C++17之前，C++17帶來(lái)了類模板參數(shù)推導(dǎo)特性，你不再需要手工指定類模板的參數(shù)：

array g_cfgPara = {1, 2, 5, 6, 7, 9, 3, 4};  // 數(shù)組大小與成員類型自動(dòng)推導(dǎo)

看起來(lái)很美好，但很快就會(huì)有人發(fā)現(xiàn)不對(duì)頭：數(shù)組元素的類型是什么？還是std::uint32_t嗎？
有人開(kāi)始嘗試只提供元素類型參數(shù)，讓編譯器自動(dòng)推導(dǎo)長(zhǎng)度，遺憾的是，它不會(huì)奏效。

array<uint32_t> g_cfgPara = {1, 2, 5, 6, 7, 9, 3, 4};  // 編譯錯(cuò)誤

好吧，暫時(shí)看起來(lái)std::array是不能像原生數(shù)組那樣聲明。下面我們來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

用函數(shù)返回std::array

問(wèn)題的解決思路是用函數(shù)模板來(lái)替代類模板——因?yàn)镃++允許函數(shù)模板的部分參數(shù)自動(dòng)推導(dǎo)——我們可以聯(lián)想到std::make_pair、std::make_tuple這類輔助函數(shù)。巧的是，C++標(biāo)準(zhǔn)真的在TS v2試驗(yàn)版本中推出過(guò)std::make_array，然而因?yàn)轭惸０鍏?shù)推導(dǎo)的問(wèn)世，這個(gè)工具函數(shù)后來(lái)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(gè)輔助函數(shù)std::to_array。
別被C++20給嚇到了，這個(gè)函數(shù)的代碼其實(shí)很簡(jiǎn)單，我們可以把它拿過(guò)來(lái)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<R, N> to_array_impl(P (&a)[N], std::index_sequence<I...>) 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>, T, N>(a, std::make_index_sequence<N>{});
}

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

細(xì)心的朋友會(huì)注意到，上面這個(gè)定義與C++20的推薦實(shí)現(xiàn)有所差異，這是有目的的。稍后我會(huì)解釋這么干的原因。

現(xiàn)在讓我們嘗試下用新方法解決老問(wèn)題：

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

不對(duì)啊，為什么元素類型不是原來(lái)的std::uint32_t？
這是因?yàn)槟０鍏?shù)推導(dǎo)對(duì)std::initializer_list的元素拒絕隱式轉(zhuǎn)換，如果你把to_array的模板參數(shù)從int改為uint32_t，會(huì)得到如下編譯錯(cuò)誤：

D:\Work\Source_Codes\MyProgram\VSCode\main.cpp:51:61: error: no matching function for call to 'to_array<uint32_t>(<brace-enclosed initializer list>)'
 auto g_cfgPara = to_array<uint32_t>({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<uint32_t>({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(diǎn)慘是不，繞了一圈回到原點(diǎn)，還是不能強(qiáng)制指定類型。
這個(gè)時(shí)候，之前針對(duì)std::array做的修改派上用場(chǎng)了：我給to_array_impl增加了一個(gè)模板參數(shù)，讓輸入數(shù)組的元素和返回std::array的元素用不同的類型參數(shù)表示，這樣就給類型轉(zhuǎn)換帶來(lái)了可能。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換到指定的類型，我們還需要添加兩個(gè)工具函數(shù)：

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

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

這兩個(gè)函數(shù)和to_array的區(qū)別是：它帶有3個(gè)模板參數(shù)：第一個(gè)是要返回的std::array的元素類型，后兩個(gè)和to_array一樣。這樣我們就可以通過(guò)指定第一個(gè)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)定制std::array元素類型了。

auto g_cfgPara = to_typed_array<uint32_t>({1, 2, 5, 6, 7, 9, 3, 4});  // 自動(dòng)把元素轉(zhuǎn)換成uint32_t

這段代碼可以編譯通過(guò)和運(yùn)行，但是卻有類型轉(zhuǎn)換的編譯告警。當(dāng)然，如果你膽子夠大，可以在to_array_impl函數(shù)中放一個(gè)static_cast來(lái)消除告警。但是編譯告警提示了我們一個(gè)不能忽視的問(wèn)題：如果萬(wàn)一輸入的數(shù)值溢出了怎么辦？

auto g_a = to_typed_array<uint8_t>({256, -1});  // 數(shù)字超出uint8_t范圍

編譯器還是一樣的會(huì)讓你編譯通過(guò)和運(yùn)行，g_a中的兩個(gè)元素的值將分別為0和255。如果你不明白為什么這兩個(gè)值和入?yún)⒉灰粯?，你該?fù)習(xí)下整型溢出與回繞的知識(shí)了。
顯然，這個(gè)方案還不完美。但我們可以繼續(xù)改進(jìn)。

編譯期字面量數(shù)值合法性校驗(yàn)

首先能想到的做法是在to_array_impl函數(shù)中放入一個(gè)if判斷之類的語(yǔ)句，對(duì)于超出目標(biāo)數(shù)值范圍的輸入拋出異?；蛘咦銎渌幚怼＿@當(dāng)然可行，但要注意的是這些工具函數(shù)是可以在運(yùn)行期調(diào)用的，對(duì)于這種常用的基礎(chǔ)函數(shù)來(lái)說(shuō)，性能至關(guān)重要。一旦在里面加入了錯(cuò)誤判斷，意味著運(yùn)行時(shí)的每一次調(diào)用性能都會(huì)下降。
理想的設(shè)計(jì)是：只有在編譯期生成的數(shù)組才進(jìn)行校驗(yàn)，并且報(bào)編譯錯(cuò)誤。但運(yùn)行時(shí)調(diào)用函數(shù)時(shí)不要加入任何校驗(yàn)。
可惜的是，至少在C++20之前，沒(méi)有辦法指定函數(shù)只允許在編譯期執(zhí)行[2]。那有沒(méi)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(lái)完成——因?yàn)槟０鍏?shù)一定是編譯期常量。因此我們可以用模板參數(shù)來(lái)完成編譯期處理——只要把數(shù)組元素全部作為模板的非類型參數(shù)就可以了。當(dāng)然，這里有個(gè)問(wèn)題：模板的非類型參數(shù)的類型怎么確定？正好C++17提供了auto模板參數(shù)的功能，可以派上用場(chǎng)：

template<typename T>
constexpr void CheckIntRanges() noexcept {}  // 用于終結(jié)遞歸

template<typename T, auto M, auto... N>
constexpr void CheckIntRanges() noexcept
{
    // 防止無(wú)符號(hào)與有符號(hào)比較
    static_assert(!((std::numeric_limits<T>::min() >= 0) && (M < 0)));

    // 范圍校驗(yàn)
    static_assert((M >= std::numeric_limits<T>::min()) && 
                  (M <= std::numeric_limits<T>::max()));
 
    CheckIntRanges<T, N...>();
}

template<typename T, auto... N>
constexpr auto DeclareArray() noexcept
{
    CheckIntRanges<T, N...>();
    array<T, sizeof...(N)> a{{static_cast<T>(N)...}};
    return a;
};

注意這個(gè)函數(shù)中，所有的校驗(yàn)都通過(guò)static_assert完成。這就保證了校驗(yàn)一定只會(huì)發(fā)生在編譯期，不會(huì)帶來(lái)任何運(yùn)行時(shí)開(kāi)銷。
DeclareArray的使用方法如下：

constexpr auto a1 = DeclareArray<uint8_t, 1, 2, 3, 4, 255>();  // 聲明一個(gè)std::array<uint8_t, 5>，元素分別為1, 2, 3, 4, 255
static_assert(a1.size() == 5);
static_assert(a1[3] == 4);
auto a2 = DeclareArray<uint8_t, 1, 2, 3, -1>();  // 編譯錯(cuò)誤，-1超出uint8_t范圍
auto a3 = DeclareArray<uint16_t, 1, 2, 3, 65536>();  // 編譯錯(cuò)誤，65536超出uint16_t范圍

這里有一個(gè)誤區(qū)需要說(shuō)明：有些人可能會(huì)把DeclareArray聲明成這樣：

template<typename T, T... N>  // 注意N的類型為T
constexpr auto DeclareArray() noexcept

這么做的話，會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)值的校驗(yàn)總是能通過(guò)——因?yàn)槟０鍏?shù)在進(jìn)入校驗(yàn)之前就已經(jīng)被轉(zhuǎn)換為T類型了。如果你的編譯器不支持C++17的auto模板參數(shù)，那么可以通過(guò)使用std::uint64_t、std::int64_t這些“最大”的類型來(lái)間接達(dá)到目的。
另一點(diǎn)要說(shuō)明的是，C++對(duì)于非類型模板參數(shù)的允許類型存在限制，DeclareArray的方法只能用于數(shù)組元素為基本類型的場(chǎng)景（至少在C++20以前如此）。但是這也足夠了。如果數(shù)組的元素是自定義類型，就可以通過(guò)自定義的構(gòu)造函數(shù)等方法來(lái)控制類型轉(zhuǎn)換。
如果你看到這里覺(jué)得有點(diǎn)意思了，那就對(duì)了，后面還有更過(guò)癮的。

編譯期生成數(shù)組

C++11中新增的constexpr修飾符可以在編譯期完成很多計(jì)算工作。但是一般constexpr函數(shù)只能返回單個(gè)值，一旦你想用它返回一串對(duì)象的集合，就會(huì)遇到麻煩：STL容器都有動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請(qǐng)功能，不能作為編譯期常量（至少在C++20之前如此）；而原生數(shù)組作為返回值會(huì)退化為指針，導(dǎo)致返回懸空的指針。即使是返回?cái)?shù)組的引用也是不行的，會(huì)產(chǎn)生懸空的引用。

constexpr int* Func() noexcept
{
    int a[] = {1, 2, 3, 4};
    return a;  // 嚴(yán)重錯(cuò)誤！返回局部對(duì)象的地址
}

直到std::array的出現(xiàn)，這個(gè)問(wèn)題才得到較好解決。std::array既可以作為編譯期常量，又可以作為函數(shù)返回值。于是，它成為了編譯期返回集合數(shù)據(jù)的首選。
在上面to_array等工具函數(shù)的實(shí)現(xiàn)中，我們已經(jīng)見(jiàn)過(guò)了編譯期返回?cái)?shù)組是怎么做的。這里我們?cè)俅竽懸稽c(diǎn)，寫一個(gè)編譯期冒泡排序：

template<typename T, size_t N>
constexpr std::array<T, N> Sort(const std::array<T, N>& numbers) noexcept
{
    std::array<T, N> sorted(numbers);
    for (int i = 0; i < N; ++i) {
        for (int j = N - 1; j > i; --j) {
            if (sorted[j] < sorted[j - 1]) {
                T t = sorted[j];
                sorted[j] = sorted[j - 1];
                sorted[j - 1] = t;
            }
        }
    }
    return sorted;
}

int main()
{
    constexpr std::array<int, 4> before{4, 2, 3, 1};
    constexpr std::array<int, 4> after = Sort(before);
    static_assert(after[0] == 1);
    static_assert(after[1] == 2);
    static_assert(after[2] == 3);
    static_assert(after[3] == 4);
    return 0;
}

因?yàn)檎麄€(gè)排序算法都是在編譯期完成，所以我們沒(méi)有必要太關(guān)注冒泡排序的效率問(wèn)題。當(dāng)然，只要你愿意，完全可以寫出一個(gè)編譯期快速排序——畢竟constexpr函數(shù)也可以在運(yùn)行期使用，不好說(shuō)會(huì)不會(huì)有哪個(gè)憨憨在運(yùn)行時(shí)調(diào)用它。
在編寫constexpr函數(shù)時(shí)，有兩點(diǎn)需要注意：

1.constexpr函數(shù)中不能調(diào)用非constexpr函數(shù)。因此在交換元素時(shí)不能用std::swap，排序也不能直接調(diào)用std::sort。

2. 傳入的數(shù)組是constexpr的，因此參數(shù)類型必須加上const，也不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行就地排序，必須返回一個(gè)新的數(shù)組。

雖然限制很多，但編譯期算法的好處也是巨大的：如果運(yùn)算中有數(shù)組越界等未定義行為，編譯將會(huì)失敗。相比起運(yùn)行時(shí)的測(cè)試，編譯期測(cè)試constexpr函數(shù)能有效的提前攔截問(wèn)題。而且只要編譯通過(guò)就意味著測(cè)試通過(guò)，比起額外跑白盒測(cè)試用例方便多了。
上面的一大串static_assert語(yǔ)句讓人看了不舒服。這么寫的原因是std::array的operator==函數(shù)并非constexpr（至少在C++20前如此）。但是我們也可以自己定義一個(gè)模板函數(shù)用于判斷兩個(gè)數(shù)組是否相等：

template<typename T, typename U, size_t M, size_t N>
constexpr bool EqualsImpl(const T& lhs, const U& rhs)
{
    static_assert(M == N);
    for (size_t i = 0; i < M; ++i) {
        if (lhs[i] != rhs[i]) {
            return false;
        }
    }
    return true;
}

template<typename T, typename U>
constexpr bool Equals(const T& lhs, const U& rhs)
{
    return EqualsImpl<T, U, size(lhs), size(rhs)>(lhs, rhs);
}

template<typename T, typename U, size_t N>
constexpr bool Equals(const T& lhs, const U (&rhs)[N])
{
    return EqualsImpl<T, const U (&)[N], size(lhs), N>(lhs, rhs);
}

int main()
{
    constexpr std::array<int, 4> before{4, 2, 3, 1};
    constexpr std::array<int, 4> after = Sort(before);
    static_assert(Equals(after, {1, 2, 3, 4}));  // 比較std::array和原生數(shù)組
    static_assert(!Equals(before, after));  // 比較兩個(gè)std::array
    return 0;
}

我們定義的Equals比std::array的比較運(yùn)算符更強(qiáng)大，甚至可以在std::array和原生數(shù)組之間進(jìn)行比較。
對(duì)于Equals有兩點(diǎn)需要說(shuō)明：

1.std::size是C++17提供的工具函數(shù)，對(duì)各種容器和數(shù)組都能返回其大小。當(dāng)然，這里的Equals只會(huì)允許編譯期確定大小的容器傳入，否則觸發(fā)編譯失敗。

2.Equals定義了兩個(gè)版本，這是被C++的一個(gè)限制所逼的迫不得已：C++禁止{...}這種std::initializer_list字面量被推導(dǎo)為模板參數(shù)類型，因此我們必須提供一個(gè)版本聲明參數(shù)類型為數(shù)組，以便{1, 2, 3, 4}這種表達(dá)式能作為參數(shù)傳進(jìn)去。

編譯期排序是一個(gè)啟發(fā)性的嘗試，我們可以用類似的方法生成其他的編譯期集合常量，比如指定長(zhǎng)度的自然數(shù)序列：

template<typename T, size_t N>
constexpr auto NaturalNumbers() noexcept
{
    array<T, N> arr{0};  // 顯式初始化不能省
    for (size_t i = 0; i < N; ++i) {
        arr[i] = i + 1;
    }
    return arr;
}

int main()
{
    constexpr auto arr = NaturalNumbers<uint32_t, 5>();
    static_assert(Equals(arr, {1, 2, 3, 4, 5}));
    return 0;
}

這段代碼的編譯運(yùn)行都沒(méi)有問(wèn)題，但它并不是推薦的做法。原因是在NaturalNumbers函數(shù)中，先定義了一個(gè)內(nèi)容全0的局部數(shù)組，然后再挨個(gè)修改它的值，這樣沒(méi)有直接返回指定值的數(shù)組效率高。有人會(huì)想能不能把a(bǔ)rr的初始化給去掉，但這樣會(huì)導(dǎo)致編譯錯(cuò)誤——constexpr函數(shù)中不允許定義沒(méi)有初始化的局部變量。

可能有人覺(jué)得這些計(jì)算都是編譯期完成的，對(duì)運(yùn)行效率沒(méi)影響——但是不要忘了constexpr函數(shù)也可以在運(yùn)行時(shí)調(diào)用。更好的做法可以參見(jiàn)前面to_array函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，讓數(shù)組的初始化一氣呵成，省掉挨個(gè)賦值的步驟。

我們用這個(gè)新思路，寫一個(gè)通用的數(shù)組生成器，它可以接受一個(gè)函數(shù)對(duì)象作為參數(shù)，通過(guò)調(diào)用這個(gè)函數(shù)對(duì)象來(lái)生成數(shù)組每個(gè)元素的值。下面的代碼還演示了下如何用這個(gè)生成器在編譯期生成奇數(shù)序列和斐波那契數(shù)列。

template<typename T>
constexpr T OddNumber(size_t i) noexcept
{
    return i * 2 + 1;
}

template<typename T>
constexpr T Fibonacci(size_t i) noexcept
{
    if (i <= 1) {
        return 1;
    }
    return Fibonacci<T>(i - 1) + Fibonacci<T>(i - 2);
}

template<typename T, size_t N, typename F, size_t... I>
constexpr array<std::remove_cv_t<T>, N> GenerateArrayImpl(F f, std::index_sequence<I...>) noexcept
{
    return { {f(I)...} };
}

template<size_t N, typename F, typename T = invoke_result_t<F, size_t>>
constexpr array<T, N> GenerateArray(F f) noexcept
{
    return GenerateArrayImpl<T, N>(f, std::make_index_sequence<N>{});
}

int main()
{
    constexpr auto oddNumbers = GenerateArray<5>(OddNumber<uint8_t>);
    static_assert(Equals(oddNumbers, {1, 3, 5, 7, 9}));
    constexpr auto fiboNumbers = GenerateArray<5>(Fibonacci<uint32_t>);
    static_assert(Equals(fiboNumbers, {1, 1, 2, 3, 5}));

    // 甚至可以傳入lambda來(lái)定制要生成的數(shù)字序列（限定C++17）
    constexpr auto specified = GenerateArray<3>([](size_t i) { return i + 10; });
    static_assert(Equals(specified, {10, 11, 12}));
    return 0;
}

最后那個(gè)傳入lambda來(lái)定制數(shù)組的做法存在一個(gè)疑問(wèn)：lambda是constexpr函數(shù)嗎？答案為：可以是，但需要C++17支持。
GenerateArray這個(gè)數(shù)組生成器將會(huì)在后面發(fā)揮重大作用，繼續(xù)往下看。

截取子數(shù)組

std::array并未提供輸入一個(gè)指定區(qū)間來(lái)建立新容器的構(gòu)造函數(shù)，但是借助上面的數(shù)組生成器，我們可以寫個(gè)輔助函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)子數(shù)組生成操作（這里再次用上了lambda函數(shù)作為生成算法）。

template<size_t N, typename T>
constexpr auto SubArray(T&& t, size_t base) noexcept
{
    return GenerateArray<N>([base, t = forward<T>(t)](size_t i) { return t[base + i]; });
}

template<size_t N, typename T, size_t M>
constexpr auto SubArray(const T (&t)[M], size_t base) noexcept
{
    return GenerateArray<N>([base, &t](size_t i) { return t[base + i]; });
}

int main()
{
    // 以std::initializer_list字面量為原始數(shù)據(jù)
    constexpr auto x = SubArray<3>({1, 2, 3, 4, 5, 6}, 2);  // 下標(biāo)為2開(kāi)始，取3個(gè)元素
    static_assert(Equals(x, {3, 4, 5}));

    // 以std::array為原始數(shù)據(jù)
    constexpr auto x1 = SubArray<2>(x, 1);  // 下標(biāo)為1開(kāi)始，取2個(gè)元素
    static_assert(Equals(x1, {4, 5}));

    // 以原生數(shù)組為原始數(shù)據(jù)
    constexpr uint8_t a[] = {9, 8, 7, 6, 5};
    constexpr auto y = SubArray<2>(a, 3);
    static_assert(Equals(y, {6, 5}));  // 下標(biāo)為3開(kāi)始，取2個(gè)元素

    // 以字符串為原始數(shù)據(jù)，注意生成的數(shù)組不會(huì)自動(dòng)加上'\0'
    constexpr const char* str = "Hello world!";
    constexpr auto z = SubArray<5>(str, 6);
    static_assert(Equals(z, {'w', 'o', 'r', 'l', 'd'}));  // 下標(biāo)為6開(kāi)始，取5個(gè)元素
 
    // 以std::vector為原始數(shù)據(jù)，非編譯期計(jì)算
    vector<int32_t> v{10, 11, 12, 13, 14};
    size_t n = 2;
    auto d = SubArray<3>(v, n);  // 運(yùn)行時(shí)生成數(shù)組
    assert(Equals(d, {12, 13, 14}));  // 注意不能用static_assert，不是編譯期常量
    return 0;
}

使用SubArray時(shí)，模板參數(shù)N是要截取的子數(shù)組大小，入?yún)是任意能支持下標(biāo)操作的類型，入?yún)ase是截取元素的起始位置。由于std::array的大小在編譯期是確定的，因此N必須是編譯期常量，但參數(shù)base可以是運(yùn)行時(shí)變量。

當(dāng)所有入?yún)⒍际蔷幾g期常量時(shí)，生成的子數(shù)組也是編譯期常量。

SubArray提供了兩個(gè)版本，目的也是為了讓std::initializer_list字面量可以作為參數(shù)傳入。

拼接多個(gè)數(shù)組

采用類似的方式可以做多個(gè)數(shù)組的拼接，這里同樣用了lambda作為生成函數(shù)。

template<typename T>
constexpr auto TotalLength(const T& arr) noexcept
{
    return size(arr);
}

template<typename P, typename... T>
constexpr auto TotalLength(const P& p, const T&... arr) noexcept
{
    return size(p) + TotalLength(arr...);
}

template<typename T>
constexpr auto PickElement(size_t i, const T& arr) noexcept
{
    return arr[i];
}

template<typename P, typename... T>
constexpr auto PickElement(size_t i, const P& p, const T&... arr) noexcept
{
    if (i < size(p)) {
        return p[i];
    }
    return PickElement(i - size(p), arr...);
}

template<typename... T>
constexpr auto ConcatArrays(const T&... arr) noexcept
{
    return GenerateArray<TotalLength(arr...)>([&arr...](size_t i) { return PickElement(i, arr...); });
}

int main()
{
    constexpr int32_t a[] = {1, 2, 3};  // 原生數(shù)組
    constexpr auto b = to_typed_array<int32_t>({4, 5, 6});  // std::array
    constexpr auto c = DeclareArray<int32_t, 7, 8>();  // std::array
    constexpr auto x = ConcatArrays(a, b, c);  // 把3個(gè)數(shù)組拼接在一起
    static_assert(Equals(x, {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8}));
    return 0;
}

和之前一樣，ConcatArrays使用了模板參數(shù)來(lái)同時(shí)兼容原生數(shù)組和std::array，它甚至可以接受任何編譯期確定長(zhǎng)度的自定義類型參與拼接。

ConcatArrays函數(shù)因?yàn)榭勺儏?shù)的語(yǔ)法限制，沒(méi)有再對(duì)std::initializer_list字面量進(jìn)行適配，這導(dǎo)致std::initializer_list字面量不能再直接作為參數(shù)：

constexpr auto x = ConcatArrays(a, {4, 5, 6});  // 編譯錯(cuò)誤

但是我們有辦法規(guī)避這個(gè)問(wèn)題：利用前面介紹過(guò)的工具把std::initializer_list先轉(zhuǎn)成std::array就可以了：

constexpr auto x = ConcatArrays(a, to_array({4, 5, 6}));  // OK

編譯期拼接字符串

std::array適合用來(lái)表示字符串么？回答這個(gè)問(wèn)題前，我們先看看原生數(shù)組是否適合表示字符串：

char str[] = "abc";  // str數(shù)組大小為4，包括結(jié)尾的'\0'

上面是很常見(jiàn)的寫法。由于數(shù)組名可退化為指針，str可用于各種需要字符串的場(chǎng)合，如傳給cout打印輸出。
std::array作為對(duì)原生數(shù)組的替代，自然也適合用來(lái)表示字符串。有人可能會(huì)覺(jué)得std::array沒(méi)法直接作為字符串類型使用，不太方便。但實(shí)際上只要調(diào)用data方法，std::array就會(huì)返回能作為字符串使用的指針：

constexpr auto str = to_array("abc");  // to_array可以將字符串轉(zhuǎn)換為std::array
static_assert(str.size() == 4);
static_assert(Equals(str, "abc"));  // Equals也可以接受字符串字面量
cout << str.data();  // 打印字符串內(nèi)容

由于字符串字面量是char[]類型，因此前面所編寫的工具函數(shù)，都可以將字符串作為輸入?yún)?shù)。上面的Equals只是其中一個(gè)例子。
那之前寫的數(shù)組拼接函數(shù)ConcatArrays能用于拼接字符串么？能，但結(jié)果和我們想的有差異：

constexpr auto str = ConcatArrays("abc", "def");
static_assert(str.size() == 8);  // 長(zhǎng)度不是7？
static_assert(Equals(str, {'a', 'b', 'c', '\0', 'd', 'e', 'f', '\0'}));

因?yàn)槊總€(gè)字符串結(jié)尾都有'\0'結(jié)束符，用數(shù)組拼接方法把它們拼到一起時(shí)，中間的'\0'沒(méi)有被去掉，導(dǎo)致結(jié)果字符串被切割為了多個(gè)C字符串。
這個(gè)問(wèn)題解決起來(lái)也很容易，只要在拼接數(shù)組時(shí)把所有數(shù)組的最后一個(gè)元素（'\0'）去掉，并且在返回?cái)?shù)組的末尾加上'\0'就可以了。下面的代碼實(shí)現(xiàn)了字符串拼接功能，非類型參數(shù)E是字符串的結(jié)束符，通常為'\0'，但是也允許定制。我們甚至可以利用它來(lái)拼接結(jié)束符為其他值的對(duì)象，比如消息、報(bào)文等。

// 最后一個(gè)字符，放入結(jié)束符
template<auto E>
constexpr auto PickChar(size_t i)
{
    return E;
}

template<auto E, typename P, typename... T>
constexpr auto PickChar(size_t i, const P& p, const T&... arr)
{
    if (i < (size(p) - 1)) {
        if (p[i] == E) {  // 結(jié)束符不允許出現(xiàn)在字符串中間
            throw "terminator in the middle";
        }
        return p[i];
    }
    if (p[size(p) - 1] != E) {  // 結(jié)束符必須是最后一個(gè)字符
        throw "terminator not at end";
    }
    return PickChar<E>(i - (size(p) - 1), arr...);
}

template<typename... T, auto E = '\0'>
constexpr auto ConcatStrings(const T&... str)
{
    return GenerateArray<TotalLength(str...) - sizeof...(T) + 1>([&str...](size_t i) { 
               return PickChar<E>(i, str...);
           });
}

int main()
{
    constexpr char a[] = "I ";  // 原生數(shù)組形式的字符串
    constexpr auto b = to_array("love ");  // std::array形式的字符串
    constexpr auto str = ConcatStrings(a, b, "C++");  // 拼接 數(shù)組 + std::array + 字符串字面量
    static_assert(Equals(str, "I love C++"));
    return 0;
}

這段代碼中用了兩個(gè)throw，這是為了校驗(yàn)輸入的參數(shù)是否都為合法的字符串，即：字符串長(zhǎng)度=容器長(zhǎng)度-1。如果不符合該條件，會(huì)導(dǎo)致拼接結(jié)果的長(zhǎng)度計(jì)算錯(cuò)誤。

當(dāng)編譯期的計(jì)算拋出異常時(shí)，只會(huì)出現(xiàn)編譯錯(cuò)誤，因此只要不在運(yùn)行時(shí)調(diào)用ConcatStrings，這兩個(gè)throw語(yǔ)句不會(huì)有更多影響。但因?yàn)檫@個(gè)校驗(yàn)的存在，強(qiáng)烈不建議在運(yùn)行期調(diào)用ConcatStrings做拼接，何況運(yùn)行期也沒(méi)必要用這種方法——std::string的加法操作它不香么？
有人會(huì)想：能否在編譯期計(jì)算字符串的實(shí)際長(zhǎng)度，而不是用容器的長(zhǎng)度呢？這個(gè)方法看似可行，定義一個(gè)編譯期計(jì)算字符串長(zhǎng)度的函數(shù)確實(shí)很容易：

template<typename T, auto E = '\0'>
constexpr size_t StrLen(const T& str) noexcept
{
    size_t i = 0;
    while (str[i] != E) {
        ++i;
    }
    return i;
}

constexpr const char* g_str = "abc";

int main()
{
    // 利用StrLen把一個(gè)字符串按實(shí)際長(zhǎng)度轉(zhuǎn)成std::array
    constexpr auto str = SubArray<StrLen(g_str) + 1>(g_str, 0);
    static_assert(Equals(str, "abc"));
    return 0;
}

但是，一旦你試圖把StrLen放到ConcatStrings的內(nèi)部去聲明數(shù)組長(zhǎng)度，就會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題：C++的constexpr機(jī)制要求只有在能看到輸入?yún)?shù)的constexpr屬性的地方，才允許StrLen的返回結(jié)果確定為constexpr。而在函數(shù)內(nèi)部時(shí)，看到的參數(shù)類型并不是constexpr。
當(dāng)然我們可以變通一下，做出一些有趣的工具，比如使用萬(wàn)惡的宏：

// 把一個(gè)字符串按實(shí)際長(zhǎng)度轉(zhuǎn)成std::array
#define StrToArray(x) SubArray<StrLen(x) + 1>(x, 0)

constexpr const char* g_str = "abc";

int main()
{
    // 使用宏，可以讓constexpr指針類型也參與編譯期字符串的拼接
    constexpr auto str = ConcatStrings(StrToArray(g_str), "def");
    static_assert(Equals(str, "abcdef"));
    return 0;
}

使用宏以后，ConcatStrings連編譯期不確定大小的指針類型都可以間接作為輸入了[3]。如果你狠得下心使用變參宏，甚至可以定義出按實(shí)際字符串長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果數(shù)組長(zhǎng)度的更通用拼接函數(shù)。但我嚴(yán)重懷疑這種需求的必要性——畢竟我們只是做編譯期的拼接，而編譯期的字符串不應(yīng)該會(huì)有結(jié)束符位置不在末尾的場(chǎng)景。
看到這里的人，或多或少該佩服一下std::array的強(qiáng)大了。上面這些編譯期操作，用原生數(shù)組很難完成吧？

展望C++20——打破更多的枷鎖

我在文章中說(shuō)了多少次“至少在C++20之前如此”？不記得了，但是能確定的是：C++20會(huì)帶來(lái)很多美好的東西：std::array會(huì)有constexpr版本的比較運(yùn)算符；函數(shù)可以用consteval限定只在編譯期調(diào)用；模板非類型參數(shù)允許更多的類型；STL容器對(duì)象可以作為constexpr常量……所有這一切，都只是C++20的minor更新而已，在絕大多數(shù)的特性介紹中，它們連提都不會(huì)被提到！

可想而知，用上C++20以后，編程會(huì)發(fā)生多大的變化。那時(shí)我們?cè)賮?lái)找找更多有趣的用法

尾注

[1]to_array定義了兩個(gè)版本，分別以左值引用和右值引用作為參數(shù)類型。按照C++11的最優(yōu)實(shí)踐，這樣的函數(shù)本應(yīng)該只定義一個(gè)版本并且使用完美轉(zhuǎn)發(fā)。但是to_array的場(chǎng)景如果用萬(wàn)能引用會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題：C++禁止std::initializer_list字面量{...}被推導(dǎo)為模板類型參數(shù)，完美轉(zhuǎn)發(fā)方案會(huì)導(dǎo)致std::initializer_list字面量不能作為to_array的入?yún)?。在后面?nèi)容中我們會(huì)看到多次這個(gè)限制所帶來(lái)的影響。

[2]C++20加入了consteval修飾符，可以指定函數(shù)只允許在編譯期調(diào)用。

[3] 需要注意的是：constexpr用于修飾指針時(shí)，表示的是指針本身為常量（而不是其指向的對(duì)象）。和const不同，constexpr并不允許放在類型聲明表達(dá)式的中間。因此如果要在編譯期計(jì)算一個(gè)constexpr指針指向的字符串長(zhǎng)度，這個(gè)字符串必須位于靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)里，不能位于?；蛘叨焉希ǚ駝t其地址無(wú)法在編譯期確定）。

以上就是詳解C++語(yǔ)言中std::array的神奇用法的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于C++語(yǔ)言中std::array的神奇用法的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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