C++学习-入门到精通-【5】类模板array和vector、异常捕获

C++学习-入门到精通-【5】类模板array和vector、异常捕获

一、array对象

Array是C++标准库中的类模板。array对象是一组具有相同类型的、连续的内存空间。每个array对象都知道自己的大小，可以调用类的成员函数size来确定。例如一个array对象c，使用c.size()可以获得c的大小。

array对象的声明

使用如下的语法声明一个array对象：
array <类型, 大小> array对象名；

// 声明一个元素类型为int的，大小为5的array对象
array <int, 5> arr;

尖括号对<>表明了array是一个类模板。编译器将根据元素的类型和array对象的大小来分配合适的内存空间（一个分配内存的声明，它的更合适的叫法应该是定义）。array对象的大小必须是一个无符号整型。

使用array对象的例子

#include <array>
#include <iostream>
#include <iomanip>

using namespace std;

int main()
{
	array<int, 5> arr1;
	static array<int, 10> arr;

	cout << setw(7) << "Element" << setw(13) << "Values" << endl;

	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		cout << setw(5) << "arr1[" << i << "]" << setw(13) << arr1[i] << endl;
	}

	cout << "\n";

	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		cout << setw(5) << "arr[" << i << "]" << setw(13) << arr[i] << endl;

	}
}

运行结果：

从结果中看，自动的array对象并不会隐式的初始化为0，静态的array对象会隐式的初始化为0。静态的array对象与静态的局部变量一样，只会在函数第一次调用时进行初始化，之后直到程序结束才会销毁。

使用初始化列表初始化array对象

在array对象的声明中，也可以对其元素进行初始化。具体做法是：在array对象名称的后面加一个等号和一个用逗号分隔的初始化列表，该列表用花括号括起来。

例如：

array <int, 5> a = {};

如果初始化列表中的值的个数小于array对象中元素的个数，那么剩下的对象元素都被初始化为0。上面的例子中，初始化列表中值的个数比array对象中元素的个数少（实际上一个值也没有），所以将没有对应值的元素初始化为0。
注：此方法只能在声明时使用

如果要在非声明的地方初始化array对象的元素，可以使用一个循环语句。

提示：
如果在一个array对象的声明中指定了array对象大小和初始化列表，那么初始化值的个数必须小于或等于array对象的大小。

下面的array对象声明语句就会引起编译错误：

array <int, 5> = { 1,2,3,4,5,6 } // error

使用常量变量指定array对象的大小

在C语言中，使用下面的语句是不被允许的：

const int i = 5;
int arr[i] = { 1,2,3,4,5 }; // error

在C语言中声明一个数组，数组的元素个数必须是一个常量。使用const修饰的变量虽然使用上具有常量的性质（初始化之后无法被修改，但是其本质上仍是一个变量）。

在C++中我们就可以使用常量变量来指定一个array对象的大小，比如：

const int a = 5;
array <int, i> arr = { 1,2,3,4,5 };

但是绝对不能使用变量作为array对象的大小；

注意：使用常量变量时，必须在声明它的时候进行初始化

二、基于范围的for语句

这是一个C++11的新特性，该语句允许程序员不使用计数器就可以完成所有元素的编历，从而避免array缓冲区溢出的可能性，且减少了程序员的工作量（不需要他们自己去实现对边界的检查功能）。

提示：当处理array对象的所有元素时，如果没有访问array对象元素下标的需求，那么使用基于范围的for语句可以较大程度上预防错误的发生

基于范围的for语句的语法形式：

for(范围变量声明 : 表达式)
	语句

其中范围变量声明中必须包含一个类型名称和一个标识符（例如：int item），表达式是需要迭代遍历的array对象。范围变量声明中的类型必须与array对象的元素类型相一致，而标识符代表循环的连续迭代中下一个array对象的值。

下面给出一个使用基于范围的for语句的例子。

#include <iostream>
#include <array>

using namespace std;

int main()
{
	array <int, 5> items = { 1,2,3,4,5 };
	
	cout << "items before modification: ";
	for (int item : items)
	{
		cout << item << " ";
	}

	for (int item : items)
	{
		item *= 2;
	}

	cout << "\nitems after modification(non-reference): ";
	for (int item : items)
	{
		cout << item << " ";
	}

	for (int& item : items)
	{
		item *= 2;
	}

	cout << "\nitems after modification(reference): ";
	for (int item : items)
	{
		cout << item << " ";
	}
}

运行结果：

可以看到在这种基于范围的for语句中，使用的标识符是array对象的一个副本，对它进行修改并不会对array对象本身的值产生影响。所以这里需要使用引用，来实现对array对象值的修改。

注意：要使用基于范围的for语句，循环对象必须要有begin函数（它是什么我们会在迭代器章节介绍）

三、利用array对象存放成绩的GradeBook类

GradeBook.h

#include <string>
#include <array>

class GradeBook
{
public:
	static const size_t students = 10; // 测试数据，学生人数

	GradeBook(const std::string &, const std::array<int, students> &);
	void displayMessage() const;
	void setCourseName(const std::string &);
	std::string getCourseName() const;
	//auto getCourseName() const -> std::string; 
	// 使用之前提到的尾随返回值类型的语法声明get成员函数的返回值类型
	void processGrades() const;
	int getMaximum() const;
	int getMinimum() const;
	double getAverage() const;
	void outputBarChart() const;
	void outputGrades() const;

private:
	std::string CourseName;
	std::array<int, students> grades; // 保存学生的成绩
};

GradeBook.cpp

#include "GradeBook.h"
#include <iostream>
#include <iomanip>

using namespace std;

// 构造函数
GradeBook::GradeBook(const string& name, 
	const array<int, students>& gradeArray)
	// or const array<int, GradeBook::students>& gradeArray) 
	// 在这里不需要使用(类名::数据成员)这样的语法来使用这个数据成员
	// 因为构造也是类的成员函数，成员函数的作用域中可以直接使用类中的公开数据成员
	: CourseName(name), grades(gradeArray) // 使用初始化列表初始化两个数据成员
{
}

// 打印欢迎信息
void GradeBook::displayMessage() const
{
	cout << "Welcome to the Grade Book for\n" 
		<< getCourseName() << "!" << endl;
}

// set成员函数
void GradeBook::setCourseName(const string& name)
{
	CourseName = name;
}

// get成员函数
string GradeBook::getCourseName() const
{
	return CourseName;
}

// 对成绩进行多种操作
void GradeBook::processGrades() const
{
	// 打印成绩
	outputGrades();

	// 打印班级平均成绩
	cout << setprecision(2) << fixed; // 打印浮点数后面两位，不足补0
	cout << "\nClass Average is " << getAverage() << endl;

	// 打印最低成绩和最高成绩
	cout << "Lowest grade is " << getMinimum() << endl
		<< "Highest grade is " << getMaximum() << endl;

	// 打印班级成绩分布条形图
	outputBarChart();
}

int GradeBook::getMaximum() const
{
	int max = 0; // 成绩是一个非负数，将最大值初始化为0

	// 不需要考虑数组的下标，只需要遍历数组的每个元素，使用基于范围的for语句
	// 表达式是要循环的对象，也就是数据成员grades
	for (int grade : grades)
	{
		if (grade > max)
		{
			max = grade;
		}
	}

	return max;
}

int GradeBook::getMinimum() const
{
	int min = 100; // 成绩最大值为100，将最小值初始化为100

	// 不需要考虑数组的下标，只需要遍历数组的每个元素，使用基于范围的for语句
	for (int grade : grades)
	{
		if (grade < min)
		{
			min = grade;
		}
	}

	return min;
}

double GradeBook::getAverage() const
{
	int total = 0;

	for (int grade : grades)
	{
		total += grade;
	}

	return (static_cast<double>(total) / students);
	// or return (static_cast<double>(total) / grades.size());
	// 可以使用array类中提供的成员函数size()来获取array对象中元素的个数
	// 该值与使用类模板创建一个array对象时的第二个参数相同
}

void GradeBook::outputBarChart() const
{
	cout << "\nGrade distribution:" << endl;

	// 将成绩分成11个区间
	// 0-9
	// 10-19
	// 20-29
	// 30-39
	// ...
	// 90-99
	// 100

	const int frequencySize = 11; // 用一个变量来保存区间数，方便代码的维护
	array<int, frequencySize> frequency = {}; // 将一个有11个元素的array对象初始化为全0
		// 用以保存每个区间中学生的人数
	// 遍历成绩数组，获取每个区间的人数
	for (int grade : grades)
	{
		frequency[grade / 10]++;
	}

	// 打印条形图
	for (int i = 0; i < frequencySize; i++)
	{
		// 打印表头
		if(i != 10)
			cout << setw(2) << i * 10 << " - " 
			<< setw(3) << 9 + i * 10 << ": ";
		else
			cout << setw(10) << "100: ";

		// 打印符号*，表示一个人
		for (int stars = 0; stars < frequency[i]; stars++)
		{
			cout << "*";
		}
		cout << endl;
	}
}

// 打印学生的成绩
void GradeBook::outputGrades() const
{
	cout << "\nThe grades are: \n";

	for (int student = 1; student <= grades.size(); student++)
	{
		cout << "student" << setw(2) << student << ":" 
			<< setw(3) << grades[student - 1] << endl;
	}
}

test.cpp

#include "GradeBook.h"

using namespace std;

int main()
{
	// 学生成绩
	array<int, GradeBook::students> grades = 
	{ 87,68,94,100,88,92,78,67,83,98 };

	// 课程名
	string CourseName = "CS1201 C++ Programming";

	// 创建一个GradeBook对象
	GradeBook myGradeBook(CourseName, grades);

	myGradeBook.displayMessage();
	myGradeBook.processGrades();
}

运行结果：

其中使用了array类中的一个成员函数：

注意：类中定义的static的数据成员是所有成员共有的，有const的static数据成员可以在类定义时就初始化，没有const的数据成员必须在类外进行初始化。并不像普通的数据成员一样每一个对象都有一个副本

四、array对象的排序与查找

排序

查找

使用排序和查找的例子

在介绍示例之前我们先看一段代码：

#include <string>
#include <iostream>

using namespace std;

int main()
{
	string s1 = "abcf";
	string s2 = "abcd";

	if (s1 < s2)
	{
		cout << "s1 < s2" << endl;
	}
	else
	{
		cout << "s1 >= s2" << endl;
	}
}

这段代码在C语言中是不可行的，因为关系运算符是无法比较字符串的大小的，但是C++中引入了运算符重载的概念（后面会介绍），所以string对象的大小可以使用关系运算符进行比较。

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <array>
using namespace std;

int main()
{
	array<int, 5> a = { 5,4,2,3,1 };

	cout << "Before sort:" << endl;
	for (int i : a)
	{
		cout << i << " ";
	}

	sort(a.begin(), a.end());

	cout << "\n\nAfter sort:" << endl;
	for (int i : a)
	{
		cout << i << " ";
	}
}

运行结果：

上面传递给sort函数模板的参数类型如下：

关于begin和end两个函数，我们会在后续介绍迭代器的章节详细说明。

另一个例子：

#include <iostream>
#include <string>
#include <array>
#include <algorithm>

using namespace std;

int main()
{
	const int arraySize = 7;
	array <string, arraySize> colors = { "red", "yellow", "blue", 
		"green", "orange", "indigo", "violet"};

	cout << "Unsorted array:" << endl;
	for (string item : colors)
	{
		cout << item << " ";
	}

	sort(colors.begin(), colors.end());

	cout << "\n\nSorted array:" << endl;
	for (string item : colors)
	{
		cout << item << " ";
	}

	bool found = binary_search(colors.begin(), colors.end(), "indigo");
	cout << "\n\n\"indigo\"" << (found? " was " : " was not ")
		<< "found in colors." << endl;

	found = binary_search(colors.begin(), colors.end(), "cyan");
	cout << "\n\n\"cyan\"" << (found ? " was " : " was not ")
		<< "found in colors." << endl;
}

运行结果：

注意：要利用binary_search函数确定一个值是否在array对象中，前提是该array对象中的值是升序排序好的。该函数并不会检查array对象是否已排序

五、多维array对象

多维的array对象是通过嵌套语句的形式进行声明的。例如：

#include <array>
using namespace std;
// 声明一个二维array对象
array<array<int, 4>, 3> arr = {}; // 所有值初始化为0
const int rows = 2;
const int columns = 3;
array<array<int, columns>, rows> arr2 = { 1,2,3,4,5 }; 

上面代码定义了一个3行4列的二维array对象，初始化为0。
arr是一个array对象（有3个元素），它的元素的类型也是一个array对象（有4个int类型的元素）。

二维array对象的使用——嵌套的基于范围的for语句

for (const auto& row : arr2)
{
	for (auto const& column : row)
	{
		// operation
	}
}

上面的for语句中，使用auto关键字作为变量的类型，它的含义是让编译器根据该变量初始化值来确定它的数据类型。

六、利用二维array对象的GradeBook类

在上面的GradeBook类的代码中，我们只有一个一维的array对象用来保存成绩，但是一个学期不可能只有一次考试，所以这显然是不够的。

假设一个学期进行4次考试：当前班级中有10个学生，所以我们需要一个10x4的array对象来保存这些数据。

GradeBook.h

#include <string>
#include <array>

class GradeBook
{
public:
	static const size_t students = 10; // 测试数据，学生人数
	static const size_t tests = 4;

	GradeBook(const std::string&, const std::array<std::array<int, tests>, students>&);
	void displayMessage() const;
	void setCourseName(const std::string&);
	std::string getCourseName() const;
	//auto getCourseName() const -> std::string; 
	// 使用之前提到的尾随返回值类型的语法声明get成员函数的返回值类型
	void processGrades() const;
	int getMaximum() const;
	int getMinimum() const;
	double getAverage(const std::array<int, tests> &) const;
	void outputBarChart() const;
	void outputGrades() const;

private:
	std::string CourseName;
	std::array<std::array<int, tests>, students> grades; // 保存学生的成绩
};

GradeBook.cpp

#include "GradeBook.h"
#include <iostream>
#include <iomanip>

using namespace std;

GradeBook::GradeBook(const string& name,
	const array<array<int, tests>, students>& gradeArray)
	// const array<int, GradeBook::students>& gradeArray) 
	// 在这里不需要使用(类名::数据成员)这样的语法来使用这个数据成员
	// 因为构造也是类的成员函数，成员函数的作用域中可以直接使用类中的公开数据成员
	: CourseName(name), grades(gradeArray) // 使用初始化列表初始化两个数据成员
{
}

// 打印欢迎信息
void GradeBook::displayMessage() const
{
	cout << "Welcome to the Grade Book for\n" 
		<< getCourseName() << "!" << endl;
}

// set成员函数
void GradeBook::setCourseName(const string& name)
{
	CourseName = name;
}

// get成员函数
string GradeBook::getCourseName() const
{
	return CourseName;
}

// 对成绩进行多种操作
void GradeBook::processGrades() const
{
	// 打印成绩
	outputGrades();

	// 打印最低成绩和最高成绩
	cout << "Lowest grade is " << getMinimum() << endl
		<< "Highest grade is " << getMaximum() << endl;

	// 打印班级成绩分布条形图
	outputBarChart();
}

int GradeBook::getMaximum() const
{
	int max = 0; // 成绩是一个非负数，将最大值初始化为0

	// 不需要考虑数组的下标，只需要遍历数组的每个元素，使用基于范围的for语句
	// 表达式是要循环的对象，也就是数据成员grades
	for (auto const& student : grades) // 使用引用，减少复制副本的开销
	{
		for (auto const& grade : student)
		{
			if (grade > max)
			{
				max = grade;
			}
		}
	}

	return max;
}

int GradeBook::getMinimum() const
{
	int min = 100; // 成绩最大值为100，将最小值初始化为100

	// 不需要考虑数组的下标，只需要遍历数组的每个元素，使用基于范围的for语句
	for (auto const& student : grades) // 使用引用，减少复制副本的开销
	{
		for (auto const& grade : student)
		{
			if (grade < min)
			{
				min = grade;
			}
		}
	}

	return min;
}

double GradeBook::getAverage(const array<int, tests>& setOfGrades) const
{
	int total = 0;

	// 计算一个学生一学期的平均成绩
	for (auto const& grade : setOfGrades)
	{
		total += grade;
	}

	return (static_cast<double>(total) / tests);
	// or return (static_cast<double>(total) / setOfGrades.size());
	// 可以使用array类中提供的成员函数size()来获取array对象中元素的个数
	// 该值与使用类模板创建一个array对象时的第二个参数相同
}

void GradeBook::outputBarChart() const
{
	cout << "\nGrade distribution:" << endl;

	// 将成绩分成11个区间
	// 0-9
	// 10-19
	// 20-29
	// 30-39
	// ...
	// 90-99
	// 100

	const int frequencySize = 11; // 用一个变量来保存区间数，方便代码的维护
	array<int, frequencySize> frequency = {}; // 将一个有11个元素的array对象初始化为全0
		// 用以保存每个区间中学生的人数
	// 遍历成绩数组，获取每个区间的人数
	for (auto const& student : grades) // 使用引用，减少复制副本的开销
	{
		for (auto const& grade : student)
		{
			frequency[grade / 10]++;
		}
	}

	// 打印条形图
	for (int i = 0; i < frequencySize; i++)
	{
		// 打印表头
		if(i != 10)
			cout << setw(2) << i * 10 << " - " 
			<< setw(3) << 9 + i * 10 << ": ";
		else
			cout << setw(10) << "100: ";

		// 打印符号*，表示一个人
		for (int stars = 0; stars < frequency[i]; stars++)
		{
			cout << "*";
		}
		cout << endl;
	}
}

// 打印学生的成绩
void GradeBook::outputGrades() const
{
	cout << "\nThe grades are: \n";
	cout << setw(10) << " "; // 打印表头，对应student id

	for (int i = 0; i < tests; i++)
	{
		cout << setw(5) << "Test" << setw(2) << i + 1;
	}

	cout << setw(9) << "Average" << endl;

	// 输出所有学生的成绩
	for (int student = 1; student <= grades.size(); student++)
	{
		cout << "student" << setw(2) << student << ":" ;

		// 输出一个学生的所有成绩
		for (int test = 0; test < tests; test++)
		{
			cout << setw(7) << grades[student - 1][test];
		}
		// 输出该学生的平均成绩
		cout << setprecision(2) << fixed << setw(9) << getAverage(grades[student - 1]) << endl;
	}
}

test.cpp

#include "GradeBook.h"

using namespace std;

int main()
{
	// 学生成绩
	array<array<int, GradeBook::tests>, GradeBook::students> grades = 
	{
		87,  96,  70,  97,
		68,  87,  90,  93,
		94, 100,  90,  98,
	   100,  82,  81,  92,
		83,  65,  83,  80,
		78,  87,  65,  81,
		67,  78,  85,  90,
		77,  79,  63,  88,
		99, 100,  95,  96,
		85,  83,  79,  90
	};

	// 课程名
	string CourseName = "CS1201 C++ Programming";

	// 创建一个GradeBook对象
	GradeBook myGradeBook(CourseName, grades);

	myGradeBook.displayMessage();
	myGradeBook.processGrades();
}

运行结果：

七、C++标准库类模板vector的介绍

vector对象的声明语法：
vertor<类型> 名称(大小);

示例代码

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

void outputVector(const vector<int> &);
void inputVector(vector<int> &);

int main()
{
	// 与array类模板的声明类似，在<>中指定保存元素的类型，但是容量在变量名后指定
	vector<int> integer1(7); // 创建一个有7个int类型元素的vector对象
	vector<int> integer2(10); // 创建一个有7个int类型元素的vector对象

	// 输出两个vector对象的大小及默认初始值
	cout << "\nSize of vector integer1 is " << integer1.size() << endl
		<< "vector after initialization:";
	outputVector(integer1);
	cout << "\nSize of vector integer2 is " << integer2.size() << endl
		<< "vector after initialization:";
	outputVector(integer2);

	// 输出17个整数用于初始化两个vector对象
	cout << "Enter 17 ingeters:" << endl;
	inputVector(integer1);
	inputVector(integer2);

	// 输出赋值后的vector对象的值
	cout << "\nAfter input, the vectors contain:\n"
		<< "integer1:" << endl;
	outputVector(integer1);
	cout << "integer2:" << endl;
	outputVector(integer2);

	cout << "\nEvaluation: integer1 != integer2" << endl;
	if (integer1 != integer2)
	{
		cout << "integer1 and integer2 are not equal" << endl;
	}

	// 创建一个新vector对象，并使用integer1赋值
	vector<int> integer3(integer1);
	cout << "\nSize of vector integer3 is " << integer3.size() << endl
		<< "vector after initialization:";
	outputVector(integer3);

	// 对vector对象直接使用'='进行赋值
	cout << "\nAssigning integer2 to integer1: " << endl;
	integer1 = integer2;

	cout << "integer1:" << endl;
	outputVector(integer1);
	cout << "integer2:" << endl;
	outputVector(integer2);

	cout << "\nEvaluation: integer1 == integer2" << endl;
	if (integer1 == integer2)
	{
		cout << "integer1 and integer2 are equal" << endl;
	}

	cout << "\ninteger1[5] is " << integer1[5] << endl;

	cout << "\n\nAssigning 1000 to integer1[5]." << endl;
	integer1[5] = 1000;
	cout << "integer1:" << endl;
	outputVector(integer1);

	// 异常处理，访问越界
	try {
		cout << "\n\nAttempt to display integer1.at(15)." << endl;
		cout << integer1.at(15) << endl; // error，越界
	}
	catch (out_of_range &ex){
		cerr << "An exception occured: " << ex.what() << endl;
	}

	cout << "\nCurrent Size of integer3 is " << integer3.size() << endl;
	integer3.push_back(1000); // 在integer3的末尾添加一个元素3
	cout << "New integer3 size is " << integer3.size() << endl;
	cout << "integer3 now contains: " << endl;
	outputVector(integer3);
}

void outputVector(const vector<int>& array)
{
	// 使用基于范围的for语句遍历整个vector对象
	for (int item : array)
	{
		cout << item << "  ";
	}

	cout << endl;
}

void inputVector(vector<int>& array)
{
	for (int item : array)
	{
		cin >> item;
	}
}

运行结果：

代码中使用的库函数：

从上面的程序执行结果可以看出，vector对象可以使用关系运算符进行比较操作。

一个vector对象可以用另一个vector对象进行初始化。也可以使用一个vector对象为另一个vector对象赋值。

还可以像数组一样使用[]和下标来访问指定的vector元素，但是在使用[]进行访问时，C++是不会进行边界检查的。但是在vector类提供的at函数中，是提供了边界检验功能的。

异常处理：处理超出边界的下标

异常是一个在程序运行时出现的问题的表现。异常处理使程序员能够创建可以解决（或处理）异常的容错程序。在很多情况下，在处理异常的同时还允许程序继续运行，就像没有遇到异常一样。

try语句：
为了处理一个异常需要把可能抛出一个异常的任何代码放置在一个try语句中。

catch语句：
包含了发生异常时，负责处理异常的代码。

比如，上面例子中try语句中包含了一个调用vector类的at成员函数的语句，该函数提供了边界检查和抛出异常的功能，当这个函数的实参是一个无效下标时，就会抛出一个异常。在默认的情况下这会导致C++程序终止。在这里下标15显然不是一个有效的下标，所有异常出现，由该try语句对应的catch语句来处理这个异常。
从上面的库函数介绍图中，可以看出，at函数抛出的异常是out_of_range类型的异常。所以在上面代码的catch语句指定了处理的异常的类型为out_of_range，且声明了一个用于接收引用的异常形参ex。在这个语句块中，可以使用形参的标识符来实现与捕捉到的异常对象的交互。

注意，try和catch是两个不同的语句块，它们的作用域不同，在try中声明的变量无法在catch中使用。

异常形参的what函数:
在上面的代码中调用了这个异常对象的what成员函数，来得到并显示存储在此异常对象中的错误信息。

更详细的异常处理内容会在之后的章节中说明。

vector对象和array对象的主要区别

vector对象和array对象的一个主要区别就是vector对象可以动态增长以容纳更多元素。

使用成员函数push_back可以为vector对象增加一个元素，对应的可以使用pop_back这个成员函数删除vector对象中的一个元素。

除了像上面一样使用for循环语句对vector对象进行初始化，还可以使用初始化列表对vector对象进行初始化。例如：

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

int main()
{
	vector<int> integer4 = { 1,2,3,4,5 };
	// or vector<int> integer4{1,2,3,4,5};
	for (int item : integer4)
	{
		cout << item << "  ";
	}
}

上面这段代码中，使用初始化列表将vector对象integer4初始化为有5个元素vector对象。