在C++中，std::vector和std::array的区别是什么？

Question

std::vector 和 std::array 在 C++ 中有什么不同？应该在什么情况下选择其中之一？它们各自的优缺点是什么？我所看的教材只列出了它们相同的地方。

- Zud

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我正在寻找std::vector与std::array的比较，以及它们之间的差异。 - Zud

Zud，std::array并不等同于C++数组。std::array只是一个非常薄的C++数组包装器，其主要目的是将指针从类的用户中隐藏起来。我会更新我的答案。 - ClosureCowboy

我更新了问题的标题和文本以反映您的澄清。 - Matteo Italia

如果您正在实现constexpr或consteval函数，那么可以使用std :: array，但不能使用std :: vector。https://dev59.com/0VwX5IYBdhLWcg3w6S8h - Anton Krug

Answer 1

std::vector 是一个模板类，封装了一个动态数组¹，存储在堆上，如果添加或删除元素，则会自动增长和缩小。它提供了所有的钩子（begin()、end()、迭代器等），使其与STL的其余部分良好地配合工作。它还有几个有用的方法，让您执行在普通数组中繁琐的操作，例如在向量中插入元素（它处理幕后的所有工作）。

由于它将元素存储在堆上分配的内存中，因此与静态数组相比，它具有一定的开销。

std::array 是一个模板类，封装了一个静态大小的数组，存储在对象本身内部，这意味着，如果您在堆栈上实例化该类，则数组本身将在堆栈上。它的大小必须在编译时知道（作为模板参数传递），并且不能增长或缩小。

std::array 比 std::vector 的功能更有限，不过在实践中它通常比后者更高效，尤其是对于小规模数据，因为它主要是一个轻量级的 C 风格数组封装。然而，由于禁用了指针的隐式转换，并且提供了许多与 STL 相关的 std::vector 和其他容器的功能，所以它更为安全，可以轻松地与 STL 算法等使用。总之，由于固定大小的限制，它比 std::vector 更不灵活。

如果想了解关于 std::array 的介绍，请参阅 this article；如果想快速了解 std::vector 及其可操作性，请查看其documentation。

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1. 实际上，我认为在标准中它们是以不同操作的最大复杂度来描述的（例如，在常数时间内进行随机访问，在线性时间内迭代所有元素，在常摊时间内添加和删除元素等），但据我所知，除了使用动态数组之外，没有其他方法来满足这些要求。正如@Lucretiel所述，标准实际上要求元素被连续存储，因此它是一个动态数组，存储在相关分配器放置的位置。

- Matteo Italia

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关于您的脚注：虽然正确，但标准还保证了对内部元素指针算术运算的支持，这意味着它必须是一个数组：&vec[9] - &vec[3] == 6 成立。 - Lucretiel

我很确定，向量不会自动缩小，但自从C++11以来，你可以调用shrink_to_fit方法。 - Dino

@Zboson说："一定不仅仅是你， 'static' 是一个被滥用的术语；在 C++ 中，'static' 关键字有三种不相关的含义，这个术语也经常用来谈论在编译时固定的东西。我希望 'statically-sized' 更加清晰一些。" - Matteo Italia

需要注意的一点是：对于实时编程（在启动后不应该有任何动态分配/释放），std::array可能比std::vector更受欢迎。 - T.E.D.

可能是因为在这个例子中，向量没有动态调整大小？ - talekeDskobeDa

Answer 2

为了强调@MatteoItalia所说的一点，效率差异在于数据存储的位置。堆内存（使用时所需）需要调用系统以分配内存，如果您计算周期，则这可能是昂贵的。栈内存（对而言是可能的）在时间上几乎是“零开销”的，因为内存是通过仅调整堆栈指针来分配的，并且只有进入函数时才执行一次。栈还避免了内存碎片化。确保并不总在栈上；它取决于您的分配位置，但与vector相比，它将涉及一个更少的内存分配。如果您有

•小型“数组”（100个元素以下）-（典型的栈大小约为8MB，因此不要在栈上分配超过几KB或递归代码较少的情况下）

•尺寸将被固定

•生命周期在函数范围内（或者是具有与父类相同生命周期的成员值）

•您正在计算周期

那么一定要使用而不是vector。如果其中任何一个要求不符合，则使用。

- Mark Lakata

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不错的回答。“确实，std::array并不总是在堆栈上；它取决于你在哪里分配它。”那么，我如何创建一个具有大量元素的std::array而不在堆栈上？ - Trilarion

请使用new std::array或将其作为一个类的成员，并使用'new'进行分配。 - Mark Lakata

这意味着 new std::array 仍然期望在编译时知道其大小并且无法更改其大小，但仍然存在于堆上？ - Trilarion

是的。使用new std::array和new std::vector之间没有显著的优势。 - Mark Lakata

Answer 3

总结上述讨论，以便快速参考的表格如下：

	C-Style Array	std::array	std::vector
Size	固定/静态	固定/静态	动态
Memory efficiency	更高效	更高效	不太高效 （可能在新分配时会增加其大小。）
Copying	遍历元素 或使用 std::copy()	直接复制：a2 = a1;	直接复制：v2 = v1;
Passing to function	通过指针传递 （函数中无法获得大小） 或作为 std::span	按值传递 或作为 std::span	按值传递 或作为 std::span
Size	sizeof a1 / sizeof *a1 或 std::size(a1)	a1.size() 或 std::size(a1)	v1.size() 或 std::size(v1)
Use case	用于快速访问，且不经常需要插入/删除。	与经典数组相同，但更安全且更容易传递和复制。	当需要频繁添加或删除时。

- Frida Schenker

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void foo(T (& arr)[N]) 可以捕获数组大小。类似于 magic-arguments-in-function-templates。 - I.Omar

我会添加这些行："| 值语义 | 否 | 是 | 是 |" 和 "| 移动 | O(N) | O(N) | O(1) |" 以及 "| 交换 | O(N) | O(N) | O(1) |"。 - alfC

“内存效率”到底是什么？这个表达可能会有歧义。此外，std::vector 的容量在新分配时如何增加取决于实现。例如，MSVC 将容量增加了x1.5，而不是x2。 - starriet

Answer 4

如果您考虑使用多维数组，则 std::array 和 std::vector 之间还有一个额外的区别。多维 std::array 的元素将在所有维度上紧密地打包在内存中，就像 C 风格数组一样。而多维 std::vector 在所有维度上都不会被紧密地打包。

给定以下声明：

int cConc[3][5];
std::array<std::array<int, 5>, 3> aConc;
int **ptrConc; // initialized to [3][5] via new and destructed via delete
std::vector<std::vector<int>> vConc; // initialized to [3][5]

指向 C 风格数组（cConc）或 std::array（aConc）中第一个元素的指针可以通过将 1 添加到每个前面的元素来遍历整个数组。它们是紧密打包的。

指向向量数组（vConc）或指针数组（ptrConc）中第一个元素的指针只能遍历前 5 个（在这种情况下）元素，然后下一个向量有 12 字节（在我的系统上）的开销。

这意味着作为 [3][1000] 数组初始化的 std::vector<std::vector<int>> 数组在内存中比作为 [1000][3] 数组初始化的数组要小得多，并且两者都比以任何方式分配的 std::array 更大。

这也意味着您不能简单地将多维向量（或指针）数组传递给 OpenGL，而不考虑内存开销，但您可以天真地将多维 std::array 传递给 OpenGL 并使其正常工作。

- psimpson

Answer 5

使用 std::vector<T>类：

• 如果你只是对现有的元素进行读取和写入，那么使用 std::vector<T> 类与使用内置数组一样快。

• 当插入新元素时，std::vector 会自动调整大小。

• 可以在向量的开头或中间插入新元素，并自动“移动”其余元素。它还允许您从 std::vector 中删除任何位置的元素，同时自动将其余元素向下移动。

• 使用 at() 方法可以执行范围检查的读取(如果不想执行此检查，则始终可以使用索引器 [])。

使用 std::vector<T> 的主要注意事项有 两个 三个:

1. 无法可靠地访问底层指针，如果需要处理要求数组地址的第三方函数，则可能会存在问题。

2. std::vector<bool> 类很傻。它实现为一个压缩的位域，而不是一个数组。如果需要一个布尔数组，请避免使用它!

3. 在使用中，std::vector<T> 比具有相同元素数量的 C++ 数组要稍微大一些。这是因为它们需要跟踪少量其他信息，例如它们的当前大小，并且每当 std::vector<T> 调整大小时，它们都会预留比所需更多的空间。这是为了防止它们每次插入新元素时都必须调整大小。可以通过提供自定义的 allocator 来更改此行为，但我从未感到有必要这样做！

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编辑：阅读Zud对问题的回答后，我感到有必要补充一下：

std::array<T>类与C++数组不同。 std::array<T>是一个非常薄的包装器，用于隐藏该类的用户指针（在C ++中，数组通常被隐式转换为指针，这往往会带来困扰）。 std::array<T>类还存储其大小（长度），这可以非常有用。

- ClosureCowboy

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它的速度“和使用动态分配的内置数组一样快”。另一方面，使用自动数组可能会有显著不同的性能（不仅在分配期间，还因为局部性效应）。 - Ben Voigt

在 C++11 及以后的版本中，对于非布尔向量，您可以在 std::vector<T> 上调用 data() 方法以获取底层指针。您也可以直接获取第一个元素的地址（在 C++11 中保证有效，在早期版本中可能也能工作）。 - Matt

在最后一段中，你是指C数组吗？对吗？ - 0xB00B

Answer 6

向量是一个容器类，而数组是分配的内存。

- Saif al Harthi

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你的回答似乎是针对std::vector<T>与T[]的区别，但问题是关于std::vector<T>与std::array<T>的比较。 - Keith Pinson