C++ 章节回顾与检测：数组、指针与多维数组详解

章节回顾

定长数组（fixed-size arrays，或固定长度数组）要求在实例化时已知长度，且之后不可更改。C 风格数组与 std::array 均属于定长数组；动态数组可在运行时改变大小，std::vector 即动态数组。

std::array 的长度必须为常量表达式，通常使用整数字面量、constexpr 变量或无作用域枚举值。
std::array 是聚合类型，无构造函数，使用聚合初始化。
只要可行，应将 std::array 定义为 constexpr；若非 constexpr，请优先考虑 std::vector。
利用类模板实参推断（CTAD）可由初始值自动推断 std::array 的元素类型与长度。

std::array 的模板声明形如：

template<typename T, std::size_t N> // N 为非类型模板参数
struct array;

长度形参 N 的类型为 std::size_t。

获取 std::array 长度

通过成员函数 size() 获取（返回无符号 size_type）。
C++17 起可使用非成员函数 std::size()（对 std::array 内部调用 size()，返回无符号 size_type）。
C++20 起可使用非成员函数 std::ssize()，返回带符号的大整数类型（通常为 std::ptrdiff_t）。
以上三者返回 constexpr 值，除非实参是通过引用传递的 std::array；该缺陷在 C++23 已由 P2280 修正。

索引 std::array

使用下标运算符 []，无边界检查；越界将导致未定义行为。
使用成员函数 at() 执行运行时边界检查；鉴于通常应在索引前完成边界检查或采用编译期检查，建议避免使用 at()。
使用函数模板 std::get<I>()，以非类型模板实参 I 作为索引，进行编译期边界检查。

函数模板形参

通过函数模板将不同元素类型和长度的 std::array 传参：

template <typename T, std::size_t N>  // 或 C++20 的 template <typename T, auto N>

返回值

按值返回 std::array 会复制数组及全部元素；若数组较小且复制开销低，此行为可接受，否则可考虑使用输出参数。

聚合初始化与大括号省略

使用聚合初始化结构体、类或数组时，若未逐一指定元素类型，需额外一对大括号，这是聚合初始化的特性；而标准库其它容器因使用列表构造函数，无需双重括号。
聚合类型支持“大括号省略”规则，允许在满足条件时省略多层大括号；通常对单个标量值或显式给出类型的类/数组可省括号。

数组与引用

不可直接创建“引用的数组”；但可使用 std::reference_wrapper 实现可修改的左值引用数组。
- operator= 可重设 std::reference_wrapper 所引对象。
- std::reference_wrapper<T> 可隐式转换为 T&。
- 成员函数 get() 返回 T&，便于修改被引对象。
- 辅助函数 std::ref() 与 std::cref() 用于快捷创建 std::reference_wrapper 及 const std::reference_wrapper。
尽可能使用 static_assert 确保经 CTAD 推导的 constexpr std::array 拥有正确数量的初始值。

C 风格数组

C 风格数组继承自 C 语言，是 C++ 核心语言的一部分，因此拥有独立的声明语法：在标识符后使用方括号 []，可在其中可选地给出长度（std::size_t 类型的常量表达式）。

亦为聚合类型，可用聚合初始化；若使用初始化器列表为全部元素赋初值，建议省略长度，由编译器计算。
通过 [] 索引，下标可为带符号或无符号整数，或无作用域枚举，故不存在标准库容器因符号转换导致的索引问题。
可声明为 const 或 constexpr。

获取 C 风格数组长度

C++17：std::size() 返回无符号 std::size_t。
C++20：std::ssize() 返回带符号的大整数类型（通常为 std::ptrdiff_t）。

在表达式中，C 风格数组通常隐式转换为指向其首元素的指针，此现象俗称“数组退化”（array decay）。

指针算术
允许对指针应用整数算术运算符（加、减、自增、自减）以产生新地址。给定指针 ptr，ptr + 1 返回内存中下一对象的地址（步长由所指类型决定）。

若从数组起始索引，请使用下标，使索引与元素对齐。
若基于某元素进行相对定位，可使用指针算术。

C 风格字符串
本质上是以 char 或 const char 为元素的 C 风格数组，同样会发生退化。

多维数组

维度（dimension）：选取元素所需的索引数量。
仅一个维度称为一维数组；数组的数组称为二维数组；多于一个维度者统称多维数组。
展平（flattening）：将多维数组降维（通常降至一维）的过程。
C++23 引入 std::mdspan，为连续元素序列提供多维数组视图接口。

测验

问题 1

指出下列代码片段中的错误并给出修正方法。

#include <array>
#include <iostream>

int main()
{
    std::array arr { 0, 1, 2, 3 };

    for (std::size_t count{ 0 }; count <= std::size(arr); ++count)
        std::cout << arr[count] << ' ';
    std::cout << '\n';
}

#include <iostream>

void printArray(int array[])
{
    for (int element : array)
        std::cout << element << ' ';
}

int main()
{
    int array[] { 9, 7, 5, 3, 1 };
    printArray(array);
}

#include <array>
#include <iostream>

int main()
{
    std::size_t length{};
    std::cin >> length;
    std::array<int, length> scores; // 错误：长度非常量
}

（解答略）

问题 2

实现“Roscoe 的药水商店”程序，功能如下：

玩家初始拥有 80–120 之间的随机金币。
显示药水列表（编号、名称、价格）。
玩家可反复输入编号购买或输入 q 退出。
处理无效输入与余额不足。
退出时打印库存与剩余金币。

按步骤完成：

> 步骤：  
创建 `Potion` 命名空间，内含枚举 `Type` 表示药水类型；两个 `std::array`：整型数组保存价格，`std::string_view` 数组保存名称；并实现 `shop()` 用于打印列表。

步骤：
创建 Player 类存储姓名、库存与金币；实现欢迎、告别文本；随机化金币。

> 步骤：  
加入购买逻辑，处理非法输入；退出后打印库存。

（解答略）

问题 3

构建纸牌游戏所需组件：

> 步骤：  
定义枚举 `Rank`（A–K）与 `Suit`（梅花、方块、红心、黑桃）。

步骤：
创建 Card 结构体，含 Rank 与 Suit 成员，并将枚举移入其中。

> 步骤：  
- 重载 `operator<<` 以两字符编码输出（例：黑桃 J → JS）。  
- 添加返回牌面值函数：A 计 11。  
- 在 `Card` 内添加静态常量 `std::array<Rank>` 与 `std::array<Suit>` 供遍历。

步骤：
创建 Deck 类，内含 52 张 Card 的 std::array：

默认构造函数初始化牌组；
dealCard() 返回下一张牌（值返回），发完断言；
shuffle() 使用 std::shuffle 洗牌并重置发牌索引。


（解答略）

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#### 问题 4  
利用 `Card` 与 `Deck` 实现简化二十一点（Blackjack）：

规则概述：  
- 庄家 1 张、玩家 2 张起始；  
- 玩家回合：可反复 hit（要牌）或 stand（停牌）；  
- A 固定计 11；爆牌（>21）即输；  
- 玩家结束后庄家补牌至 ≥17；  
- 比较点数，高者胜；平局算庄家胜。

步骤：
创建 Player 结构体（仅记录分数）。
实现函数：发 1 张给庄家，2 张给玩家，返回谁分高。

> 步骤：  
添加 `Settings` 命名空间存放爆牌阈值与庄家停牌线。  
实现庄家回合逻辑。

步骤：
实现玩家回合：输入 h / s 控制要牌或停牌。


（解答略）

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#### 问题 5  

a) 说明如何修改程序以支持 A 既可当 1 又可当 11。  
b) 说明如何处理平局（双方同分且未爆牌）。  
c) （加分）实现以上功能，并显示初始手牌。

（解答略）