Dev Blog

std::array і std::vector ​

Коли потрібна колекція ​

Для трьох температур можна оголосити три змінні, але для місяця це незручно: формула середнього міститиме десятки імен, а кількість даних буде жорстко зашита в коді. Колекція об’єднує значення за спільним правилом. Масив (array) зберігає елементи одного типу в послідовних комірках; індекс (index) визначає позицію. У C++ індексація починається з нуля.

Для шести елементів допустимі індекси 0–5. Число 6 є кількістю, а не останнім індексом. Саме ця різниця спричиняє типову помилку i <= size замість i < size. Перед доступом потрібно довести належність індексу діапазону, особливо якщо номер введений користувачем у звичній формі від 1.

Рис. 4.1. Послідовні елементи та межа масиву

Оголошення int values[6]{1,3,5,7,9,11}; створює вбудований масив. Запис int values[6]{}; нуль-ініціалізує всі елементи. Розмір такого локального масиву має бути відомий під час компіляції; масив змінного розміру, який деякі компілятори приймають як розширення, не є переносимим стандартним C++.

std::size(values) з <iterator> повертає кількість елементів справжнього масиву. Проте у параметрі void f(int a[]) запис масиву перетворюється на параметр-вказівник: сама довжина не передається. Така деградація (array-to-pointer conversion) є причиною, чому sizeof(a) всередині такої функції не відновлює довжину масиву. Вказівники детально розглядаються наступними.

std::array та обхід елементів ​

std::array<int,6> з <array> також має сталий розмір, але поводиться як повноцінний об’єкт: його можна копіювати, присвоювати й передавати за посиланням без втрати довжини. Метод size() повертає 6, а fill(value) заповнює всі комірки. Різні довжини є різними типами: array<int,3> не можна підставити замість array<int,4>.

Оператор [] не виконує обов’язкової перевірки меж. at(index) перевіряє індекс і за помилки кидає std::out_of_range. Механізм винятків буде в темі 6, але вже зараз важливо розуміти: перевірений доступ повідомляє про дефект, а не робить будь-який індекс допустимим. Не покладайтеся на те, що Debug завжди покаже діалог при кожному порушенні меж; невизначена поведінка не має обов’язкової видимої ознаки.

Цикл for (auto value : values) створює копію кожного елемента. auto& дозволяє змінювати елементи, а const auto& читає без копіювання. Для маленьких чисел копія зручна; для рядків і великих структур константне посилання уникає зайвої роботи. Якщо потрібний номер позиції, використовуйте індексний цикл і тип, узгоджений із size().

Приклад 1. Температури тижня ​

Програма читає рівно сім скінченних значень від−100 до 100 і обчислює статистику. Початкові мінімум і максимум беруться з першого елемента, тому від’ємний тиждень обробляється правильно.

cpp
#include <array>
#include <iostream>
#include <print>
#include <cmath>

int main()
{
    std::array<double, 7> days{};
    for (auto& value : days)
    {
        if (!(std::cin >> value) || !std::isfinite(value)
            || value < -100 || value > 100) return 1;
    }
    double low = days[0], high = days[0], sum{};
    for (double value : days)
    {
        if (value < low) low = value;
        if (value > high) high = value;
        sum += value;
    }
    std::println("min={:.1f}, max={:.1f}, mean={:.1f}",
        low, high, sum / days.size());
}

Для 1 2 3 4 5 6 7 результат min=1.0, max=7.0, mean=4.0. У першому циклі потрібне auto&, інакше введення змінюватиме тільки локальну копію. У другому достатньо значення. Масив завжди має сім елементів, тому days[0] існує; для динамічної порожньої колекції потрібна була б окрема перевірка.

std::vector: кількість і місткість ​

Вектор std::vector<T> із <vector> володіє динамічним масивом і сам керує виділенням та звільненням пам’яті. vector<int> values; спочатку порожній, а vector<int> values(5); має п’ять нульових елементів. vector<int>{5} натомість містить один елемент зі значенням 5. Дужки тут виражають різні наміри.

size() – кількість наявних елементів; capacity() – місткість уже виділеного буфера. reserve(100) просить місце принаймні для 100 елементів, але не створює їх. Після reserve порожній вектор усе ще не має елемента 0. resize(100) натомість змінює кількість наявних елементів.

Рис. 4.2. Розмір, місткість і перерозподіл

push_back(value) додає елемент у кінець. emplace_back(arguments...) конструює елемент із аргументів безпосередньо у векторі; це не обіцянка прискорення кожної операції. pop_back() видаляє останній елемент, але не повертає його значення і потребує непорожнього вектора. clear() видаляє всі елементи, зазвичай зберігаючи буфер. shrink_to_fit() є необов’язковим запитом зменшити місткість, а не гарантією точного розміру буфера.

Якщо додавання перевищує місткість, вектор виділяє новий буфер і переносить елементи. Раніше збережені адреси, посилання та ітератори на старі елементи стають недійсними. Точний коефіцієнт зростання не визначений стандартом: діаграма з подвоєнням є ілюстрацією, а не правилом для всіх реалізацій. Документація: https://learn.microsoft.com/cpp/standard-library/vector-class.

Елементи вектора в налагоджувачі

Рис. 4.3. Елементи вектора в налагоджувачі

Вставлення за позицією i можна записати values.insert(values.begin() + i, value), а вилучення – values.erase(values.begin() + i). Тут begin()+i лише спосіб позначити позицію; повна теорія ітераторів буде пізніше. Для вставлення дозволено i=size, для вилучення потрібно i < size. Зсув наступних елементів змінює позиції; індекс не є постійним ідентифікатором запису.