16-3 std::vector 与无符号长度及下标问题
在之前的第16.2节——std::vector与list构造函数入门 中，我们介绍了运算符[]，它可用于通过下标访问数组元素。
本节将探讨访问数组元素的其他方法，以及获取容器类长度（即容器类当前元素数量）的几种不同方式。
但在深入之前，我们需要先讨论C++设计者犯下的一个重大错误，以及它如何影响C++标准库中的所有容器类。
容器长度符号问题
我们先提出一个断言：用于数组下标的类型应与存储数组长度的类型一致。这样才能确保最长数组的所有元素都能被索引，且不会超出范围。
正如Bjarne Stroustrup所回忆，在设计C++标准库容器类时（约1997年），设计者需抉择长度（及数组下标）采用有符号还是无符号类型。最终他们选择了无符号类型。
当时给出的理由是：标准库数组类型的下标不可能为负值；使用无符号类型可利用额外位实现更长的数组（在16位时代这很重要）；且对下标进行范围检查只需一次条件判断而非两次（因无需检查索引是否小于0）。
回顾来看，这通常被认为是个错误的选择。如今我们认识到：利用无符号值强制非负性会因隐式转换规则失效（负有符号整数会隐式转换为大型无符号整数，导致垃圾结果）； 在32位或64位系统上通常无需额外位宽（毕竟很少创建超过20亿元素的数组），且常用操作符[]本身也不进行范围检查。
在第4.5节《无符号整数及其禁忌》中，我们已阐述过为何更倾向于使用有符号值存储量值。我们还指出，有符号与无符号值的混用极易引发意外行为。因此标准库容器类将长度（及索引）设为无符号值的做法存在隐患——这使得使用这些类型时无法规避无符号值。
目前我们只能接受这种选择及其带来的不必要复杂性。
回顾：符号转换属于缩窄转换，constexpr 情况除外
在深入探讨前，让我们快速回顾第 10.4 节——缩窄转换、列表初始化与 constexpr 初始化器中关于符号转换（有符号到无符号或反之的整数转换）的内容，因为本章将频繁涉及这些概念。
符号转换被视为窄化转换，因为有符号或无符号类型无法容纳对方类型范围内的所有值。当运行时执行此类转换时，编译器会在禁止窄化转换的上下文中（如列表初始化）报错，而在允许转换的其他上下文中则可能发出警告也可能不发出警告。
例如：
#include <iostream>
void foo(unsigned int)
{
}
int main()
{
int s { 5 };
[[maybe_unused]] unsigned int u { s }; // compile error: list initialization disallows narrowing conversion
foo(s); // possible warning: copy initialization allows narrowing conversion
return 0;
}
在上例中，变量 u 的初始化会引发编译错误，因为列表初始化时不允许进行窄化转换。对 foo() 的调用执行的是复制初始化，该操作允许窄化转换，且是否产生警告取决于编译器对符号转换警告的严格程度。例如，当使用编译器标志 -Wsign-conversion 时，GCC 和 Clang 都会在此情况下发出警告。
然而，若待符号转换的值为 constexpr 且可转换为对应类型中的等效值，则该符号转换不被视为窄化转换。这是因为编译器能确保转换安全，否则将终止编译过程。
#include <iostream>
void foo(unsigned int)
{
}
int main()
{
constexpr int s { 5 }; // now constexpr
[[maybe_unused]] unsigned int u { s }; // ok: s is constexpr and can be converted safely, not a narrowing conversion
foo(s); // ok: s is constexpr and can be converted safely, not a narrowing conversion
return 0;
}
在此情况下，由于 s 是 constexpr 类型，且待转换的值 (5) 可表示为无符号值，因此该转换不被视为窄化转换，可隐式执行且不会引发问题。
这种非窄化 constexpr 转换（从 constexpr int 到 constexpr std::size_t）将是我们在后续开发中频繁使用的技术。
std::vector 的长度和索引类型为 size_type
在第 10.7 节——类型别名Typedefs与类型别名aliases中，我们提到当需要为可能变化的类型命名时（例如因实现定义而变化），常使用类型别名和类型别名。例如 std::size_t 是某种大型无符号整数类型的 typedef，通常为 unsigned long 或 unsigned long long。
每个标准库容器类都定义了一个名为 size_type 的嵌套 typedef 成员（有时写作 T::size_type），该类型是容器长度（及支持索引时的索引类型）的别名。
在文档和编译器警告/错误信息中常见 size_type 的出现。例如，std::vector 的 size() 成员函数文档中明确指出该函数返回 size_type 类型的值。
相关内容:
第 15.3 课 嵌套类型（成员类型）”中详述了嵌套 typedef 的实现。
size_type 几乎总是 std::size_t 的别名，但在极少数情况下可被覆盖为其他类型。
核心要点:
size_type 是标准库容器类中定义的嵌套 typedef，用于表示容器类的长度（及支持索引时的索引类型）。size_type 默认值为 std::size_t，由于该值几乎不会被修改，可合理假设 size_type 是 std::size_t 的别名。
进阶内容:
除 std::array 外，所有标准库容器均使用 std::allocator 分配内存。对于这些容器，T::size_type 由所用分配器的 size_type 派生而来。由于 std::allocator 最大可分配 std::size_t 字节的内存，std::allocator::size_type 被定义为 std::size_t。因此 T::size_type 默认即为 std::size_t。 仅当容器使用自定义分配器且该分配器的 T::size_type 类型定义为 std::size_t 以外的类型时，容器的 T::size_type 才会不同于 std::size_t。这种情况极为罕见且需在应用程序层面实现，因此除非您的应用程序使用了此类自定义分配器，否则通常可安全假设 T::size_type 为 std::size_t （若存在此类情况，您必然知晓）。
访问容器类的size_type成员时，必须使用容器类的完整模板名称进行作用域限定。例如：std::vector
使用size()成员函数或std::size()获取std::vector的长度
我们可以使用size()成员函数（该函数返回长度值，类型为unsigned size_type）来获取容器类对象的长度:
#include <iostream>
#include <vector>
int main()
{
std::vector prime { 2, 3, 5, 7, 11 };
std::cout << "length: " << prime.size() << '\n'; // returns length as type `size_type` (alias for `std::size_t`)
return 0;
}
这将输出：
与同时提供 length() 和 size() 成员函数（功能相同）的 std::string 和 std::string_view 不同，std::vector（以及 C++ 中大多数其他容器类型）仅提供 size() 函数。现在你应该明白，为何容器的长度有时会被模糊地称为其大小。
在C++17中，我们还可使用非成员函数std::size()（对于容器类而言，该函数仅调用其成员函数size()）。
#include <iostream>
#include <vector>
int main()
{
std::vector prime { 2, 3, 5, 7, 11 };
std::cout << "length: " << std::size(prime); // C++17, returns length as type `size_type` (alias for `std::size_t`)
return 0;
}
对于高级读者:
由于 std::size() 也可用于非衰变的 C 风格数组，因此相较于使用 size() 成员函数，此方法有时更受青睐（尤其在编写可接受容器类或非衰变 C 风格数组参数的函数模板时）。我们在第 17.8 课——C 风格数组衰变中讨论了 C 风格数组衰变。
若要使用上述任一方法将长度存储在带符号类型的变量中，很可能会引发有符号/无符号转换警告或错误。最简便的处理方式是将结果静态转换static_cast为目标类型：
#include <iostream>
#include <vector>
int main()
{
std::vector prime { 2, 3, 5, 7, 11 };
int length { static_cast<int>(prime.size()) }; // static_cast return value to int
std::cout << "length: " << length ;
return 0;
}
使用 std::ssize() 获取 std::vector 的长度( C++20 )
C++20 引入了非成员函数 std::ssize()，该函数返回长度值，类型为大型有符号整数类型（通常为 std::ptrdiff_t，该类型通常作为 std::size_t 的有符号对应类型使用）：
#include <iostream>
#include <vector>
int main()
{
std::vector prime{ 2, 3, 5, 7, 11 };
std::cout << "length: " << std::ssize(prime); // C++20, returns length as a large signed integral type
return 0;
}
这是三个函数中唯一以有符号类型返回长度的函数。
若需使用此方法将长度存储于带符号类型的变量中，可采取以下方案：
首先，由于 int 类型可能小于 std::ssize() 返回的带符号类型，若将长度赋值给 int 变量，应使用 static_cast 将结果显式转换为 int（否则可能引发窄化转换警告或错误）：
#include <iostream>
#include <vector>
int main()
{
std::vector prime{ 2, 3, 5, 7, 11 };
int length { static_cast<int>(std::ssize(prime)) }; // static_cast return value to int
std::cout << "length: " << length;
return 0;
}
或者，你可以使用 auto 关键字让编译器推断出该变量应使用的正确有符号类型：
#include <iostream>
#include <vector>
int main()
{
std::vector prime{ 2, 3, 5, 7, 11 };
auto length { std::ssize(prime) }; // use auto to deduce signed type, as returned by std::ssize()
std::cout << "length: " << length;
return 0;
}
使用[]运算符访问数组元素时不会进行边界检查
在上节课中，我们介绍了下标运算符（operator[]）：
#include <iostream>
#include <vector>
int main()
{
std::vector prime{ 2, 3, 5, 7, 11 };
std::cout << prime[3]; // print the value of element with index 3 (7)
std::cout << prime[9]; // invalid index (undefined behavior)
return 0;
}
operator[] 不进行边界检查。operator[] 的索引可以是非 const 的。我们将在后续章节中进一步讨论这一点。
使用 at() 成员函数访问数组元素会进行运行时边界检查
数组容器类支持另一种访问数组的方法。at() 成员函数可用于在运行时进行边界检查的数组访问：
#include <iostream>
#include <vector>
int main()
{
std::vector prime{ 2, 3, 5, 7, 11 };
std::cout << prime.at(3); // print the value of element with index 3
std::cout << prime.at(9); // invalid index (throws exception)
return 0;
}
在上例中，对 prime.at(3) 的调用会检查索引 3 是否有效，由于索引有效，因此返回数组元素 3 的引用。随后我们可以打印该值。然而对 prime.at(9) 的调用在运行时失败，因为 9 不是该数组的有效索引。at() 函数不会返回引用，而是会引发导致程序终止的错误。
面向高级读者:
当 at() 成员函数遇到越界索引时，实际上会抛出类型为 std::out_of_range 的异常。若未处理该异常，程序将终止运行。关于异常及其处理方法，我们将在第 27 章进行详细讲解。
与operator[]类似，传递给at()的索引可以是非const的。
由于每次调用时都会进行运行时边界检查，at()比operator[]更慢（但更安全）。尽管安全性较低，但通常更倾向于使用operator[]而非at()，主要原因在于索引操作前进行边界检查更为妥当——这样能从源头避免使用无效索引的情况。
使用 constexpr 有符号整数索引 std::vector
当使用 constexpr (有符号) 整数索引 std::vector 时，我们可以让编译器将其隐式转换为 std::size_t，而不会发生窄化转换：
#include <iostream>
#include <vector>
int main()
{
std::vector prime{ 2, 3, 5, 7, 11 };
std::cout << prime[3] << '\n'; // okay: 3 converted from int to std::size_t, not a narrowing conversion
constexpr int index { 3 }; // constexpr
std::cout << prime[index] << '\n'; // okay: constexpr index implicitly converted to std::size_t, not a narrowing conversion
return 0;
}
使用非constexpr值对std::vector进行索引
用于数组索引的下标可以是非const的：
#include <iostream>
#include <vector>
int main()
{
std::vector prime{ 2, 3, 5, 7, 11 };
std::size_t index { 3 }; // non-constexpr
std::cout << prime[index] << '\n'; // operator[] expects an index of type std::size_t, no conversion required
return 0;
}
然而，根据我们的最佳实践（4.5节——无符号整数及其应避免使用的原因），我们通常应避免使用无符号类型来存储数值。
当下标是非constexpr的有符号值时，我们会遇到问题：
#include <iostream>
#include <vector>
int main()
{
std::vector prime{ 2, 3, 5, 7, 11 };
int index { 3 }; // non-constexpr
std::cout << prime[index] << '\n'; // possible warning: index implicitly converted to std::size_t, narrowing conversion
return 0;
}
在此示例中，index 是非 const 表达式的有符号整型。std::vector 定义的下标运算符[]的类型为 size_type（std::size_t 的别名）。因此当调用 prime[index] 时，有符号整型必须转换为 std::size_t。
此类转换本不应存在风险（因 std::vector 的索引预期为非负值，而非负有符号值可安全转换为无符号值）。但运行时执行此转换会被视为缩窄转换，编译器应就此发出不安全转换警告（若未发出，请考虑修改警告设置）。
由于数组下标操作频繁，每次转换都会触发警告，这会导致编译日志充斥大量冗余警告。若启用了“将警告视为错误”设置，编译过程甚至会因此中断。
规避此问题的方案众多（例如每次数组索引时都将 int 静态转换为 std::size_t），但所有方案都不可避免地会以某种形式增加代码冗余或复杂度。最简洁的解决方案是直接使用std::size_t类型的变量作为索引，且该变量仅用于索引操作。如此便能从源头避免任何非const转换。
提示:
另一个不错的替代方案是：不要直接对 std::vector 进行索引操作，而是对 data() 成员函数的返回结果进行索引：
#include <iostream>
#include <vector>
int main()
{
std::vector prime{ 2, 3, 5, 7, 11 };
int index { 3 }; // non-constexpr signed value
std::cout << prime.data()[index] << '\n'; // okay: no sign conversion warnings
return 0;
}
在底层实现中，std::vector 将元素存储于 C 风格数组中。data() 成员函数返回指向该底层 C 风格数组的指针，我们可通过索引访问数据。由于 C 风格数组允许使用带符号和无符号类型进行索引，因此不会遇到任何符号转换问题。关于C风格数组的深入探讨，请参阅第17.7节——C风格数组简介 和第17.8节——C风格数组衰变 。
作者注:
我们将在第16.7节——数组、循环与符号挑战解决方案中探讨应对这类索引难题的其他方法。
测验时间
问题 #1
使用以下值初始化一个 std::vector：‘h’，'e'，‘l’，'l'，‘o’。然后打印数组的长度（使用 std::size()）。最后，使用下标运算符和 at() 成员函数打印索引为 1 的元素值。
程序应输出以下内容：
The array has 5 elements.
ee
显示答案
#include <iostream>
#include <vector>
int main()
{
std::vector arr { 'h', 'e', 'l', 'l', 'o' };
std::cout << "The array has " << std::size(arr) << " elements.\n";
std::cout << arr[1] << arr.at(1) << '\n';
return 0;
}
问题 #2
a) 什么是 size_type 类型？它有什么用途？
显示答案
size_type 是一个嵌套的 typedef，它是用于存储标准库容器长度（以及索引，如果支持的话）的类型的别名。
b) size_type 的默认类型是什么？它是带符号还是无符号类型？
显示答案
std::size_t，这是一个无符号类型。
c) 哪些获取容器长度的函数返回 size_type 类型？
显示答案
size() 成员函数和 std::size 均返回 size_type 类型。
浙公网安备 33010602011771号