std::array 的长度与索引：深入理解固定大小数组的长度与下标

在《std::vector 与无符号长度及下标问题》中，我们讨论了标准库容器将长度与索引设为无符号类型所带来的困境。由于 std::array 也属于标准库容器，因此同样面临这一问题。本节将回顾如何获取 std::array 的长度并进行索引。由于 std::vector 与 std::array 接口相似，内容将与前述讨论保持一致；但因只有 std::array 完全支持 constexpr，我们将重点探讨这一点。

开始前，请先复习“符号转换属于收缩转换，except 当 constexpr”这一要点（见《std::vector 与无符号长度及下标问题》）。

`std::array` 的长度类型为 `std::size_t`

std::array 的实现如下：

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

可见，表示长度的非类型模板参数 N 类型为 std::size_t，这是一个大型无符号整数类型。

`std::array` 的长度与索引类型 `size_type` 始终为 `std::size_t`

与 std::vector 一样，std::array 提供嵌套 typedef size_type，即容器长度/索引的别名。对于 std::array，size_type 始终是 std::size_t 的别名。

注意：长度模板参数显式使用 std::size_t 而非 size_type，因为 size_type 此时尚未定义；其余位置均使用 size_type。

获取 `std::array` 长度的三种方式

成员函数 size()
返回无符号 size_type 长度：

#include <array>
#include <iostream>

int main()
{
    constexpr std::array arr{9.0, 7.2, 5.4, 3.6, 1.8};
    std::cout << "length: " << arr.size() << '\n'; // 返回 size_type
}

输出：length: 5

与 std::string/std::string_view 不同，std::array 仅提供 size()，无 length()。

C++17 非成员函数 std::size()
对 std::array 内部调用 size()，返回无符号 size_type：
```
std::cout << "length: " << std::size(arr);
```
C++20 非成员函数 std::ssize()
返回带符号长度（通常为 std::ptrdiff_t）：
```
std::cout << "length: " << std::ssize(arr);
```

以 constexpr 方式获取长度

由于 std::array 长度是 constexpr，上述函数即使对非 constexpr 对象也返回 constexpr 值，可在常量表达式中使用：

std::array arr{9, 7, 5, 3, 1}; // 非常量对象
constexpr int len{std::size(arr)}; // OK：返回 constexpr std::size_t，可安全转为 int

Visual Studio 误报 C4365；已向微软反馈。

语言缺陷：若 std::array 作为函数参数按（const）引用传递，上述函数返回非 constexpr 值。C++23 的 P2280 已修正，当前编译器支持有限。
解决：将函数改为模板，以非类型模板参数接收长度。

索引方式

1. `operator[]` 与 `at()`

operator[]：无边界检查，越界即 UB。
at()：运行时边界检查，越界抛出 std::out_of_range。
推荐避免 at()，因我们通常提前检查或需要编译期检查。

二者均期望索引类型为 size_type（std::size_t）。

constexpr 索引：编译期转换，无符号问题。
非 constexpr 带符号索引：可能触发符号转换警告。

2. `std::get<I>()` —— 编译期边界检查

当索引为 constexpr 时，可用 std::get<I>() 模板函数：

constexpr std::array prime{2, 3, 5, 7, 11};
std::cout << std::get<3>(prime); // OK：7
std::cout << std::get<9>(prime); // 编译错误：越界

内部含 static_assert，越界即停止编译。
std::get 只能用于 constexpr 索引。

小测验

问题 1
用 std::array 初始化字符 'h','e','l','l','o'：

输出数组长度；
分别用 operator[]、at()、std::get() 打印下标 1 的元素。

期望输出：

The length is 5
eee

std::array 的长度类型为 std::size_t

std::array 的长度与索引类型 size_type 始终为 std::size_t

获取 std::array 长度的三种方式