C++ 标准特性：array & forward_list

C++ 标准特性：array & forward_list

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一、array（STL array 容器）------ C++11

1.1 概述

std::array 是 C++11 标准中新增的序列容器，它封装了固定大小的 C 风格数组。

特性	说明
头文件	<array>
大小	编译期确定，不可动态改变
底层	封装 C 风格数组
优势	比原生数组更安全，支持迭代器和 STL 算法
与 vector 的区别	vector 大小可变，array 大小固定，array 性能更接近原生数组

1.2 示例代码

#include <iostream>
#include <array>  // array容器
using namespace std;
int main()
{
    std::array<int, 5> arr{ };

    // 初始化arr容器
    for (int i = 1; i < arr.size(); i++) {
        arr.at(i) = i;
    }

    // 通过get()重载函数输出指定位置元素值
    cout << "输出结果为" << get<4>(arr) << endl;
    return 0;
}

1.3 代码解析

array<int, 5> arr{};         // 创建 int 类型、大小为 5 的 array，初始值为 0

arr.at(i) = i;               // 带越界检查的访问（越界时抛 std::out_of_range）
arr[i] = i;                  // 另一种访问方式（不检查越界，性能更高）

get<4>(arr);                 // 编译期索引访问，索引越界会在编译时报错

访问方式	检查时机	安全性
arr[i]	无检查	⚠️ 越界未定义行为
arr.at(i)	运行时检查	✅ 越界抛异常
get<N>(arr)	编译期检查	✅✅ 索引越界编译失败

1.4 常用成员函数速查

函数	功能
size()	返回元素个数
at(i)	带越界检查的元素访问
operator[i]	不带越界检查的访问
front()	返回第一个元素
back()	返回最后一个元素
data()	返回指向底层数组的指针
fill(x)	将所有元素填充为 x
swap(other)	交换两个 array 的内容

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二、forward_list（前向链表）------ C++11

2.1 概述

std::forward_list 是 C++11 新增的容器，底层实现采用单向链表。

对比	forward_list	list
链表类型	单向链表	双向链表
方向	只能向前遍历	可向前/向后遍历
内存开销	每个节点只存一个指针	每个节点存两个指针（next + prev）
插入/删除位置	只能在指定位置之后插入	可在指定位置之前或之后插入
适用场景	节省内存、只需单向遍历	需要双向遍历和灵活插入

forward_list:  节点 → 节点 → 节点 → end
               (只有 next 指针)

list:          节点 ⇄ 节点 ⇄ 节点 ⇄ end
               (有 next 和 prev 指针)

2.2 示例代码

#include <iostream>
#include <forward_list>
using namespace std;

int main()
{
    forward_list<int> values{ 11,22,33 };
    values.emplace_front(40);    // 在头部插入 40

    cout << "第一次输出结果为:" << endl;
    for (auto i = values.begin(); i != values.end(); i++) {
        cout << *i << " ";
    }

    values.emplace_after(values.before_begin(), 50);  // 在头部之前插入 50
    cout << "\n\n第二次输出结果为:" << endl;
    for (auto i = values.begin(); i != values.end(); i++) {
        cout << *i << " ";
    }

    values.reverse();   // 反转链表
    cout << "\n\nreverse后输出结果为:" << endl;
    for (auto i = values.begin(); i != values.end(); i++) {
        cout << *i << " ";
    }
    return 0;
}

2.3 执行过程分析

步骤	操作	链表状态
初始	{11, 22, 33}	11 → 22 → 33
emplace_front(40)	头部插入 40	40 → 11 → 22 → 33
emplace_after(before_begin(), 50)	在"头部之前"插入 50	50 → 40 → 11 → 22 → 33
reverse()	反转链表	33 → 22 → 11 → 40 → 50

before_begin() 返回一个指向第一个元素之前的迭代器。因为单向链表只能向后看，要操作头部位置，需要这个"头前"迭代器。

2.4 常用成员函数速查

函数	功能
emplace_front(args...)	在头部原地构造元素
push_front(x)	在头部插入元素
pop_front()	移除头部元素
emplace_after(it, args...)	在指定位置之后原地构造
insert_after(it, x)	在指定位置之后插入
erase_after(it)	删除指定位置之后的元素
before_begin()	返回头前迭代器（用于操作第一个元素之前的位置）
reverse()	反转链表
empty() / clear()	判空 / 清空
sort() / merge()	排序 / 合并有序链表

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三、array vs forward_list 对比

特性	array	forward_list
头文件	<array>	<forward_list>
底层结构	静态数组	单向链表
大小	编译期固定	动态增减
随机访问	✅ O(1)	❌
遍历方向	双向（通过索引）	单向（向前）
插入/删除复杂度	❌ 不支持	O(1)（指定位置之后）
内存连续性	✅ 连续	❌ 非连续
适用场景	固定大小、需要随机访问	频繁插入删除、内存敏感

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