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【C++】标准库中用于组合多个值的数据结构pair、tuple、array...

news 2025/8/18 12:44:18

在 C++ 标准库中，有多种数据结构可用于组合多个值，每种结构都有其特定的设计目的和适用场景。以下是主要组合数据结构的分类解析：

一、核心组合数据结构

1. std::pair (C++98)

用途：存储两个相关值（键值对、坐标点等）
特点：
固定大小（只能包含两个元素）
支持不同类型
支持比较操作（按 first 然后 second）

#include <utility>// 创建 pair
auto point = std::make_pair(10, 20);
std::pair<std::string, int> person{"Alice", 30};// 访问元素
std::cout << "X: " << point.first << ", Y: " << point.second;

2. std::tuple (C++11)

用途：存储固定数量的异构值（任意类型、任意数量）
特点：
类型安全的泛型结构
支持最多约 10 个元素（实现定义）
编译时类型检查

#include <tuple>// 创建 tuple
auto data = std::make_tuple(42, "Hello", 3.14);
std::tuple<int, std::string, double> record(1, "Alice", 95.5);// 访问元素（编译时索引）
auto id = std::get<0>(record);
auto name = std::get<1>(record);// C++17 结构化绑定
auto [id, name, score] = record;

3. std::array (C++11)

用途：固定大小的同质数组（栈分配）
特点：
替代传统 C 风格数组
支持迭代器和标准容器操作
编译时已知大小

#include <array>std::array<int, 5> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};// 访问元素
for (int n : numbers) {std::cout << n << " ";
}// 编译时大小检查
static_assert(numbers.size() == 5);

4. std::vector (C++98)

用途：动态大小的同质数组（堆分配）
特点：
最常用的顺序容器
自动内存管理
随机访问 O(1)
尾部插入/删除高效

#include <vector>std::vector<std::string> names = {"Alice", "Bob", "Charlie"};// 添加元素
names.push_back("David");// 访问元素
std::cout << names[1]; // 输出 "Bob"

二、高级组合结构

5. std::variant (C++17)

用途：类型安全的联合体（存储多个类型中的一个）
特点：
替代 union 的安全方案
值语义（非指针）
可包含复杂类型（字符串、容器等）

#include <variant>using Value = std::variant<int, double, std::string>;Value v1 = 42;
Value v2 = 3.14;
Value v3 = "Hello";// 访问值
std::visit([](auto&& arg) {std::cout << arg;
}, v3);// 检查当前类型
if (std::holds_alternative<int>(v1)) {std::cout << "Integer: " << std::get<int>(v1);
}

6. std::any (C++17)

用途：存储任意类型的单个值
特点：
类似脚本语言的动态类型
运行时类型检查
需要显式类型转换

#include <any>std::any data;
data = 42;                     // 存储 int
data = std::string("Hello");   // 替换为 string// 安全访问
try {std::string s = std::any_cast<std::string>(data);
} catch (const std::bad_any_cast& e) {std::cerr << "Wrong type: " << e.what();
}

7. std::optional (C++17)

用途：表示可选值（可能有值或为空）
特点：
替代指针或特殊值（如 -1）表示缺失值
明确表达"可能有值"的语义
避免空指针异常

#include <optional>std::optional<int> findValue(const std::vector<int>& vec, int target) {for (int v : vec) {if (v == target) return v;}return std::nullopt; // 空值
}// 使用
auto result = findValue({1,2,3}, 2);
if (result) {std::cout << "Found: " << *result;
} else {std::cout << "Not found";
}

三、复合数据结构

8. 嵌套容器

用途：创建多维或复杂数据结构
常见组合：

// 二维数组
std::vector<std::vector<int>> matrix = {{1, 2, 3},{4, 5, 6}
};// 字典列表
std::map<std::string, std::vector<double>> studentGrades = {{"Alice", {95.5, 88.0}},{"Bob", {78.5, 92.0}}
};// 元组集合
std::set<std::tuple<int, int, int>> uniquePoints;

9. 结构体绑定

用途：组合相关数据字段
特点：
优于 std::pair/std::tuple 的语义清晰性
支持成员函数和自定义行为

struct Person {std::string name;int age;std::vector<std::string> hobbies;
};Person alice{"Alice", 30, {"Reading", "Hiking"}};// C++17 结构化绑定
auto [name, age, hobbies] = alice;