第16.1节容器与数组入门

一、为什么需要容器？——变量可扩展性问题

1.1 问题场景

假设我们需要记录一个班级30名学生的考试成绩，并计算平均分。按照目前学过的知识，我们可能会这样做：

cpp

// 定义30个独立的整型变量
int testScore1 {};
int testScore2 {};
int testScore3 {};
// ...
int testScore30 {};

计算平均分时：

cpp

1	int average { (testScore1 + testScore2 + testScore3 + ... + testScore30) / 30 };

1.2 这种方法的问题

这种方法存在严重的可扩展性问题（scalability problem）：

代码冗长：需要手动定义和操作每一个变量
容易出错：变量名容易打错，修改时容易遗漏
维护困难：如果新增一名学生，需要在整个代码中查找并修改所有相关位置
不可扩展：如果需要处理100个、1000个数据，这种方法完全不可行

思考：能否用结构体（struct）解决？

cpp

struct TestScores {
    int score1 {};
    int score2 {};
    // ...
    int score30 {};
};

虽然结构体提供了一定的组织性，但核心问题依然存在：每个成员仍需要独立的名字和独立的访问方式。

二、容器的概念

2.1 生活中的容器类比

想象你去超市买鸡蛋：

你不会单独挑选12个鸡蛋放进购物车
而是选择一个鸡蛋盒（carton），它包含预定数量的鸡蛋

再比如早餐麦片：

麦片盒里有成百上千的麦片颗粒
你不可能把每一颗麦片单独存放

容器的本质：用一个整体来管理一组相关的对象。

2.2 编程中的容器定义

容器（Container）：一种数据类型，用于存储一组无名对象（unnamed objects）的集合，这些对象称为元素（elements）。

关键特征：

容器本身有名字（如变量名）
容器内的元素没有独立的名字
这正是容器与结构体的本质区别

2.3 你已经使用过的容器

std::string 就是一个容器！

cpp

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string name{"Alex"};  // string是字符的容器
    std::cout << name;          // 输出字符序列
    return 0;
}

容器名：name
元素：'A', 'l', 'e', 'x'（这些字符没有独立的名字）

三、容器的核心特性

3.1 元素的无名性

为什么元素不需要名字？

这是容器设计的核心理念：

如果每个元素都需要名字，我们又回到了最初的问题
无名性使得容器可以容纳任意数量的元素
容器提供统一的访问机制来操作这些元素

重要概念：

容器的元素没有独立的名字，这样容器才能容纳任意数量的元素，而不需要为每个元素指定唯一的名字。每种容器都提供特定的方法来访问其元素。

3.2 容器的长度

长度（Length） 或 计数（Count）：容器中元素的数量。

示例：

cpp

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string name{"Alex"};
    std::cout << name << " has " << name.length() << " characters\n";
    return 0;
}

输出：Alex has 4 characters

术语说明：

Length（长度）：元素的数量（推荐使用）
Size（大小）：在C++中也常用来表示元素数量，但容易与内存大小混淆
sizeof：返回对象占用的字节数

本教程中，我们用”长度”表示元素数量，用”大小”表示内存占用。

四、容器的基本操作

回到鸡蛋盒的例子，你可以对它进行哪些操作？

获取一盒鸡蛋
打开盒子并选择一个鸡蛋
移除或添加鸡蛋
计数鸡蛋数量

4.1 容器的标准操作

大多数容器支持以下操作：

操作类别	具体操作	英文术语
创建	创建空容器、指定初始容量、从列表初始化	Create/Initialize
访问	获取首元素、尾元素、任意元素	Access
修改	插入元素、删除元素	Insert/Remove
查询	获取元素数量	Query/Size

4.2 不同容器的性能差异

不同容器类型在操作性能上有显著差异：

容器A：快速访问任意元素，但不支持插入/删除
容器B：快速插入/删除，但只能顺序访问元素

选择合适的容器类型对代码的可维护性和性能至关重要。

五、元素类型

5.1 同质性容器

在大多数编程语言（包括C++）中，容器是同质的（homogeneous）：

容器内所有元素必须是相同类型
例如：整数容器只能存储整数，字符串容器只能存储字符串

5.2 C++中的类型灵活性

C++容器通常实现为类模板（class template）：

cpp

1
2
3

std::vector<int>     intVector;     // 整数容器
std::vector<double>  doubleVector;  // 浮点数容器
std::vector<string>  stringVector;  // 字符串容器

优势：

不需要为每种元素类型创建新的容器类
通过模板类型参数（template type argument）指定元素类型
一次实现，多种类型复用

5.3 异质性容器

异质容器（heterogeneous container）：允许不同类型的元素。

常见于脚本语言（如Python）
C++标准库不直接支持（但可通过高级技术实现）

六、C++中的容器库

6.1 容器库概述

容器库（Containers Library）：C++标准库的一部分，包含多种实现常见容器的类类型。

容器类（Container Class）：实现容器功能的类类型。

完整列表参见：cppreference - Containers

6.2 C++容器的严格定义

注意：C++对”容器”的定义比通用编程定义更严格。

以下类型不是C++标准意义上的容器：

C风格数组（C-style arrays）
std::string
std::vector<bool>

原因：它们未实现容器的所有必需接口（详见容器要求）。

但 std::string 和 std::vector<bool> 实现了大部分要求，因此被称为伪容器（pseudo-containers）。

6.3 最常用的容器

在所有容器类中，std::vector 和 std::array 使用最广泛，是本课程的重点。

七、数组简介

7.1 数组的定义

数组（Array）：一种容器数据类型，以连续方式（contiguously）存储一系列值。

连续存储：每个元素放置在相邻的内存位置，没有间隙。

数组的优势：

快速、直接访问任意元素
概念简单，易于使用
处理相关值集合的首选方案

7.2 C++中的三种数组类型

数组类型	引入时间	特点	别名
C风格数组	继承自C语言	核心语言特性，行为怪异，不安全	C arrays, naked arrays, built-in arrays
`std::vector`	C++03	最灵活，功能丰富，动态大小	动态数组
`std::array`	C++11	替代C风格数组，固定大小，更安全高效	固定数组

7.3 各类型数组的应用场景

C风格数组：
- 遗留代码维护
- 与C库交互
- 现代C++中应避免使用
std::vector：
- 元素数量动态变化
- 需要频繁插入/删除
- 最常用的数组类型
std::array：
- 元素数量固定
- 追求最高性能
- 小型数组

八、学习路线

8.1 下一步学习内容

下一节课我们将：

深入学习 std::vector
解决本节开头提出的30名学生成绩问题
引入相关的新概念
解决实际应用中的挑战

8.2 学习策略

好消息：所有容器类具有相似的接口。

学会一个容器（如 std::vector），其他容器（如 std::array）就容易多了
后续学习其他容器时，我们将重点关注差异点和重要特性

8.3 术语约定

本教程中：

容器类（container classes）：指标准库中的大多数或所有容器类
数组（array）：泛指所有数组类型，包括其他编程语言中的数组

std::vector 同时属于这两个类别，因此即使使用不同术语，也适用于 std::vector。

九、本节小结

核心概念回顾

容器：存储无名元素集合的数据类型
元素无名性：容器可扩展性的关键
同质性：C++容器要求元素类型一致
数组：连续存储的容器，支持快速访问
三种数组：C风格数组、std::vector、std::array

关键英文术语

Container（容器）
Element（元素）
Length/Count（长度/计数）
Homogeneous（同质的）
Contiguously（连续地）
Container Class（容器类）
C-style Array（C风格数组）

第16.1节 容器与数组入门