詳解C++語言中std::array的神奇用法
概述
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……這讓很多用慣瞭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瞭。在這篇文章裡，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，麻煩來瞭：
array<uint32_t, 8> g_cfgPara = {1, 2, 5, 6, 7, 9, 3, 4}; // 註意模板參數“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麼愉快的。有人要抱怨瞭：std::array的聲明用起來還沒有原生數組方便，選它幹啥？
但是，這個抱怨隻該限於C++17之前，C++17帶來瞭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麼？還是std::uint32_t嗎？
有人開始嘗試隻提供元素類型參數，讓編譯器自動推導長度，遺憾的是，它不會奏效。
array<uint32_t> 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，這個工具函數後來被刪掉瞭。
但顯然，用戶的需求還是存在的。於是在C++20中，又新增瞭一個輔助函數std::to_array。
別被C++20給嚇到瞭，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<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>{});
}
細心的朋友會註意到，上面這個定義與C++20的推薦實現有所差異，這是有目的的。稍後我會解釋這麼幹的原因。
現在讓我們嘗試下用新方法解決老問題：
auto g_cfgPara = to_array<int>({1, 2, 5, 6, 7, 9, 3, 4}); // 類型不是uint32_t？
不對啊，為什麼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<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，有點慘是不，繞瞭一圈回到原點，還是不能強制指定類型。
這個時候，之前針對std::array做的修改派上用場瞭：我給to_array_impl增加瞭一個模板參數，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瞭可能。為瞭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<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，後兩個和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元素類型瞭。
auto g_cfgPara = to_typed_array<uint32_t>({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。但是編譯告警提示瞭我們一個不能忽視的問題：如果萬一輸入的數值溢出瞭怎麼辦？
auto g_a = to_typed_array<uint8_t>({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。如果你不明白為什麼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瞭。
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，對於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，但要註意的是這些工具函數是可以在運行期調用的，對於這種常用的基礎函數來說，性能至關重要。一旦在裡面加入瞭錯誤判斷，意味著運行時的每一次調用性能都會下降。
理想的設計是：隻有在編譯期生成的數組才進行校驗，並且報編譯錯誤。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，沒有辦法指定函數隻允許在編譯期執行[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——隻要把數組元素全部作為模板的非類型參數就可以瞭。當然，這裡有個問題：模板的非類型參數的類型怎麼確定？正好C++17提供瞭auto模板參數的功能，可以派上用場：
template<typename T>
constexpr void CheckIntRanges() noexcept {} // 用於終結遞歸
template<typename T, auto M, auto... N>
constexpr void CheckIntRanges() noexcept
{
// 防止無符號與有符號比較
static_assert(!((std::numeric_limits<T>::min() >= 0) && (M < 0)));
// 范圍校驗
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;
};
註意這個函數中，所有的校驗都通過static_assert完成。這就保證瞭校驗一定隻會發生在編譯期，不會帶來任何運行時開銷。
DeclareArray的使用方法如下：
constexpr auto a1 = DeclareArray<uint8_t, 1, 2, 3, 4, 255>(); // 聲明一個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>(); // 編譯錯誤，-1超出uint8_t范圍 auto a3 = DeclareArray<uint16_t, 1, 2, 3, 65536>(); // 編譯錯誤，65536超出uint16_t范圍
這裡有一個誤區需要說明：有些人可能會把DeclareArray聲明成這樣：
template<typename T, T... N> // 註意N的類型為T constexpr auto DeclareArray() noexcept
這麼做的話，會發現對數值的校驗總是能通過——因為模板參數在進入校驗之前就已經被轉換為T類型瞭。如果你的編譯器不支持C++17的auto模板參數，那麼可以通過使用std::uint64_t、std::int64_t這些“最大”的類型來間接達到目的。
另一點要說明的是，C++對於非類型模板參數的允許類型存在限制，DeclareArray的方法隻能用於數組元素為基本類型的場景（至少在C++20以前如此）。但是這也足夠瞭。如果數組的元素是自定義類型，就可以通過自定義的構造函數等方法來控制類型轉換。
如果你看到這裡覺得有點意思瞭，那就對瞭，後面還有更過癮的。
編譯期生成數組
C++11中新增的constexpr修飾符可以在編譯期完成很多計算工作。但是一般constexpr函數隻能返回單個值，一旦你想用它返回一串對象的集合，就會遇到麻煩：STL容器都有動態內存申請功能，不能作為編譯期常量（至少在C++20之前如此）；而原生數組作為返回值會退化為指針，導致返回懸空的指針。即使是返回數組的引用也是不行的，會產生懸空的引用。
constexpr int* Func() noexcept
{
int a[] = {1, 2, 3, 4};
return a; // 嚴重錯誤！返回局部對象的地址
}
直到std::array的出現，這個問題才得到較好解決。std::array既可以作為編譯期常量，又可以作為函數返回值。於是，它成為瞭編譯期返回集合數據的首選。
在上面to_array等工具函數的實現中，我們已經見過瞭編譯期返回數組是怎麼做的。這裡我們再大膽一點，寫一個編譯期冒泡排序：
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;
}
因為整個排序算法都是在編譯期完成，所以我們沒有必要太關註冒泡排序的效率問題。當然，隻要你願意，完全可以寫出一個編譯期快速排序——畢竟constexpr函數也可以在運行期使用，不好說會不會有哪個憨憨在運行時調用它。
在編寫constexpr函數時，有兩點需要註意：
1.constexpr函數中不能調用非constexpr函數。因此在交換元素時不能用std::swap，排序也不能直接調用std::sort。
2. 傳入的數組是constexpr的，因此參數類型必須加上const，也不能對數據進行就地排序，必須返回一個新的數組。
雖然限制很多，但編譯期算法的好處也是巨大的：如果運算中有數組越界等未定義行為，編譯將會失敗。相比起運行時的測試，編譯期測試constexpr函數能有效的提前攔截問題。而且隻要編譯通過就意味著測試通過，比起額外跑白盒測試用例方便多瞭。
上面的一大串static_assert語句讓人看瞭不舒服。這麼寫的原因是std::array的operator==函數並非constexpr（至少在C++20前如此）。但是我們也可以自己定義一個模板函數用於判斷兩個數組是否相等：
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和原生數組
static_assert(!Equals(before, after)); // 比較兩個std::array
return 0;
}
我們定義的Equals比std::array的比較運算符更強大，甚至可以在std::array和原生數組之間進行比較。
對於Equals有兩點需要說明：
1.std::size是C++17提供的工具函數，對各種容器和數組都能返回其大小。當然，這裡的Equals隻會允許編譯期確定大小的容器傳入，否則觸發編譯失敗。
2.Equals定義瞭兩個版本，這是被C++的一個限制所逼的迫不得已：C++禁止{…}這種std::initializer_list字面量被推導為模板參數類型，因此我們必須提供一個版本聲明參數類型為數組，以便{1, 2, 3, 4}這種表達式能作為參數傳進去。
編譯期排序是一個啟發性的嘗試，我們可以用類似的方法生成其他的編譯期集合常量，比如指定長度的自然數序列：
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;
}
這段代碼的編譯運行都沒有問題，但它並不是推薦的做法。原因是在NaturalNumbers函數中，先定義瞭一個內容全0的局部數組，然後再挨個修改它的值，這樣沒有直接返回指定值的數組效率高。有人會想能不能把arr的初始化給去掉，但這樣會導致編譯錯誤——constexpr函數中不允許定義沒有初始化的局部變量。
可能有人覺得這些計算都是編譯期完成的，對運行效率沒影響——但是不要忘瞭constexpr函數也可以在運行時調用。更好的做法可以參見前面to_array函數的實現，讓數組的初始化一氣呵成，省掉挨個賦值的步驟。
我們用這個新思路，寫一個通用的數組生成器，它可以接受一個函數對象作為參數，通過調用這個函數對象來生成數組每個元素的值。下面的代碼還演示瞭下如何用這個生成器在編譯期生成奇數序列和斐波那契數列。
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來定制要生成的數字序列（限定C++17）
constexpr auto specified = GenerateArray<3>([](size_t i) { return i + 10; });
static_assert(Equals(specified, {10, 11, 12}));
return 0;
}
最後那個傳入lambda來定制數組的做法存在一個疑問：lambda是constexpr函數嗎？答案為：可以是，但需要C++17支持。
GenerateArray這個數組生成器將會在後面發揮重大作用，繼續往下看。
截取子數組
std::array並未提供輸入一個指定區間來建立新容器的構造函數，但是借助上面的數組生成器，我們可以寫個輔助函數來實現子數組生成操作（這裡再次用上瞭lambda函數作為生成算法）。
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字面量為原始數據
constexpr auto x = SubArray<3>({1, 2, 3, 4, 5, 6}, 2); // 下標為2開始，取3個元素
static_assert(Equals(x, {3, 4, 5}));
// 以std::array為原始數據
constexpr auto x1 = SubArray<2>(x, 1); // 下標為1開始，取2個元素
static_assert(Equals(x1, {4, 5}));
// 以原生數組為原始數據
constexpr uint8_t a[] = {9, 8, 7, 6, 5};
constexpr auto y = SubArray<2>(a, 3);
static_assert(Equals(y, {6, 5})); // 下標為3開始，取2個元素
// 以字符串為原始數據，註意生成的數組不會自動加上'\0'
constexpr const char* str = "Hello world!";
constexpr auto z = SubArray<5>(str, 6);
static_assert(Equals(z, {'w', 'o', 'r', 'l', 'd'})); // 下標為6開始，取5個元素
// 以std::vector為原始數據，非編譯期計算
vector<int32_t> v{10, 11, 12, 13, 14};
size_t n = 2;
auto d = SubArray<3>(v, n); // 運行時生成數組
assert(Equals(d, {12, 13, 14})); // 註意不能用static_assert，不是編譯期常量
return 0;
}
使用SubArray時，模板參數N是要截取的子數組大小，入參t是任意能支持下標操作的類型，入參base是截取元素的起始位置。由於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base可以是運行時變量。
當所有入參都是編譯期常量時，生成的子數組也是編譯期常量。
SubArray提供瞭兩個版本，目的也是為瞭讓std::initializer_list字面量可以作為參數傳入。
拼接多個數組
采用類似的方式可以做多個數組的拼接，這裡同樣用瞭lambda作為生成函數。
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個數組拼接在一起
static_assert(Equals(x, {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8}));
return 0;
}
和之前一樣，ConcatArrays使用瞭模板參數來同時兼容原生數組和std::array，它甚至可以接受任何編譯期確定長度的自定義類型參與拼接。
ConcatArrays函數因為可變參數的語法限制，沒有再對std::initializer_list字面量進行適配，這導致std::initializer_list字面量不能再直接作為參數：
constexpr auto x = ConcatArrays(a, {4, 5, 6}); // 編譯錯誤
但是我們有辦法規避這個問題：利用前面介紹過的工具把std::initializer_list先轉成std::array就可以瞭：
constexpr auto x = ConcatArrays(a, to_array({4, 5, 6})); // OK
編譯期拼接字符串
std::array適合用來表示字符串麼？回答這個問題前，我們先看看原生數組是否適合表示字符串：
char str[] = "abc"; // str數組大小為4，包括結尾的'\0'
上面是很常見的寫法。由於數組名可退化為指針，str可用於各種需要字符串的場合，如傳給cout打印輸出。
std::array作為對原生數組的替代，自然也適合用來表示字符串。有人可能會覺得std::array沒法直接作為字符串類型使用，不太方便。但實際上隻要調用data方法，std::array就會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(); // 打印字符串內容
由於字符串字面量是char[]類型，因此前面所編寫的工具函數，都可以將字符串作為輸入參數。上面的Equals隻是其中一個例子。
那之前寫的數組拼接函數ConcatArrays能用於拼接字符串麼？能，但結果和我們想的有差異：
constexpr auto str = ConcatArrays("abc", "def");
static_assert(str.size() == 8); // 長度不是7？
static_assert(Equals(str, {'a', 'b', 'c', '\0', 'd', 'e', 'f', '\0'}));
因為每個字符串結尾都有’\0’結束符，用數組拼接方法把它們拼到一起時，中間的’\0’沒有被去掉，導致結果字符串被切割為瞭多個C字符串。
這個問題解決起來也很容易，隻要在拼接數組時把所有數組的最後一個元素（’\0’）去掉，並且在返回數組的末尾加上’\0’就可以瞭。下面的代碼實現瞭字符串拼接功能，非類型參數E是字符串的結束符，通常為’\0’，但是也允許定制。我們甚至可以利用它來拼接結束符為其他值的對象，比如消息、報文等。
// 最後一個字符，放入結束符
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) { // 結束符不允許出現在字符串中間
throw "terminator in the middle";
}
return p[i];
}
if (p[size(p) - 1] != E) { // 結束符必須是最後一個字符
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 數組 + std::array + 字符串字面量
static_assert(Equals(str, "I love C++"));
return 0;
}
這段代碼中用瞭兩個throw，這是為瞭校驗輸入的參數是否都為合法的字符串，即：字符串長度=容器長度-1。如果不符合該條件，會導致拼接結果的長度計算錯誤。
當編譯期的計算拋出異常時，隻會出現編譯錯誤，因此隻要不在運行時調用ConcatStrings，這兩個throw語句不會有更多影響。但因為這個校驗的存在，強烈不建議在運行期調用ConcatStrings做拼接，何況運行期也沒必要用這種方法——std::string的加法操作它不香麼？
有人會想：能否在編譯期計算字符串的實際長度，而不是用容器的長度呢？這個方法看似可行，定義一個編譯期計算字符串長度的函數確實很容易：
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把一個字符串按實際長度轉成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的內部去聲明數組長度，就會產生問題：C++的constexpr機制要求隻有在能看到輸入參數的constexpr屬性的地方，才允許StrLen的返回結果確定為constexpr。而在函數內部時，看到的參數類型並不是constexpr。
當然我們可以變通一下，做出一些有趣的工具，比如使用萬惡的宏：
// 把一個字符串按實際長度轉成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;
}
使用宏以後，ConcatStrings連編譯期不確定大小的指針類型都可以間接作為輸入瞭[3]。如果你狠得下心使用變參宏，甚至可以定義出按實際字符串長度計算結果數組長度的更通用拼接函數。但我嚴重懷疑這種需求的必要性——畢竟我們隻是做編譯期的拼接，而編譯期的字符串不應該會有結束符位置不在末尾的場景。
看到這裡的人，或多或少該佩服一下std::array的強大瞭。上面這些編譯期操作，用原生數組很難完成吧？
展望C++20——打破更多的枷鎖
我在文章中說瞭多少次“至少在C++20之前如此”？不記得瞭，但是能確定的是：C++20會帶來很多美好的東西：std::array會有constexpr版本的比較運算符；函數可以用consteval限定隻在編譯期調用；模板非類型參數允許更多的類型；STL容器對象可以作為constexpr常量……所有這一切，都隻是C++20的minor更新而已，在絕大多數的特性介紹中，它們連提都不會被提到！
可想而知，用上C++20以後，編程會發生多大的變化。那時我們再來找找更多有趣的用法
尾註
[1]to_array定義瞭兩個版本，分別以左值引用和右值引用作為參數類型。按照C++11的最優實踐，這樣的函數本應該隻定義一個版本並且使用完美轉發。但是to_array的場景如果用萬能引用會帶來一個問題：C++禁止std::initializer_list字面量{…}被推導為模板類型參數，完美轉發方案會導致std::initializer_list字面量不能作為to_array的入參。在後面內容中我們會看到多次這個限制所帶來的影響。
[2]C++20加入瞭consteval修飾符，可以指定函數隻允許在編譯期調用。
[3] 需要註意的是：constexpr用於修飾指針時，表示的是指針本身為常量（而不是其指向的對象）。和const不同，constexpr並不允許放在類型聲明表達式的中間。因此如果要在編譯期計算一個constexpr指針指向的字符串長度，這個字符串必須位於靜態數據區裡，不能位於棧或者堆上（否則其地址無法在編譯期確定）。
以上就是詳解C++語言中std::array的神奇用法的詳細內容，更多關於C++語言中std::array的神奇用法的資料請關註WalkonNet其它相關文章！