如何实现/使用：固定大小的动态数组的类（仅在运行时知道）

Question

我正在向自己介绍 C++，可悲的是，对于动态创建的固定大小数组（但大小仅在运行时已知）的支持似乎在 C++ 中非常差，因为 new[] 可以t 使用用户设置的参数调用任意用户指定的构造函数。

考虑class A，它有许多构造函数，每个构造函数都有一些参数。假设没有参数的构造函数是无用的（如果我基本上不需要它，我不想写一个）。我想以下内容无关紧要，但是，以防万一：假设A 仅包含一个可能很大的std::vector<Internal>（Internal 是一个私有类，T 和S 参数化A）和就数据成员而言，是一个整数计数器。另外，A 是参数化的。

假设我们希望A 的n 实例作为数组连续存储在内存中，其中n 在运行时确定并在之后保持不变。我们希望能够通过将参数传递给A 或类似的构造函数的单个调用来创建和初始化结构。所以数组中的每个实例都得到相同的，但程序化的初始化。编辑：对不起，我并不是说我想要 O(1) 初始化，因为那是不可能的，我只想要 O(n) 初始化，但是这样我就可以在一个语句中创建数组。即，这样我就不必为我创建的每个数组编写一个初始化循环。

std::vector<A<T,S>> 是一个可能但不是最佳的解决方案，但假设我们不能忍受低效率。 （请记住，std::vector 支持调整大小。）

如何实现和/或使用具有良好 API 的高效解决方案？

我更喜欢不重新实现一半标准库的解决方案，即考虑 C++20 功能和可用于实现的标准库。另外，不要让我违反 C++ 别名 rules。

一个可能相关的问题是为什么标准库中缺少这样一个“fixed_size_vector”类？

（顺便说一句：没关系，但请不要说“只使用向量”，因为在这种情况下，我确实会采用提到的次优解决方案，因为性能对我的玩具程序并不重要，但在现实世界中，性能有一天会很重要，我想做好准备。编辑：我确实不是的意思是我想优化我的玩具程序，而是我指的是有一天我将不得不优化其他一些程序。）

编辑：回答一些评论者：包装 std::vector 可以提供正确的抽象，但它会不必要地低效。一条评论链接了一个问题，其最佳答案很好地解释了这一点：

dynarray 比 vector 更小更简单，因为它不需要 管理单独的大小和容量值，并且不需要 存储分配器

（dynarray 这里是对 stdlib 的提议添加，这似乎是我想要的，除了它还应该依赖特殊的编译器支持来支持它的某些语义）。当然，与 std::vector 相比，这种差异在大多数情况下并不重要，但如果我能够简单地使用正确的工具来完成这项工作，那仍然是一件好事。

Answer 1

有一个proposal 为标准添加一个固定容量向量。
请注意，此提案建议在编译时知道容量，因此不适用于您的情况。

也有一些开源库实现了其中之一，例如 Boost 的 static_vector 或 .如果您真的想要一个固定容量的向量，您可以使用现有的开源实现之一。
如果您真的知道自己在做什么，则可以自己编写一个，但超过 99% 的 C++ 用户并非如此。

但是，应该注意的是，在向量上保留（）空间可能会产生您想要的效果，并且可能不需要实际的固定容量向量。

Answer 2

由于您提到只有在运行时才知道大小，这正是std::vector 的用途。

template <typename T, typename...Args>
auto make_vector(std::size_t size, const Args&...args) -> std::vector<T>
{
    auto result = std::vector<T>{};
    result.reserve(size); // whatever the known size is
    for (auto i = 0; i < size; ++i) {
        result.emplace_back(args...);
    }
    return result;
}

// Use like:

auto vec = make_vector<std::string>(20, "hello world");

这将为T 类型的size 条目预分配足够的空间，并且循环将使用您传递的任何参数调用T 的构造函数。

请注意：

• 没有调用其他构造函数。
• 没有使用额外的内存。
• 不执行复制或重定位。
• 由于保证复制省略，返回的向量不会复制（甚至移动）c++17 或更高版本。

无论您使用专门的容器还是其他方式，这样做都是最佳选择。这就是为什么每个有经验的 C++ 开发人员都会告诉你同样的事情：std::vector 是解决方案。^[2]

注意：上述函数使用const Args&... 进行传播而不是正确的转发引用，因为右值引用可能导致移动后使用错误。^[1]

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您提到的像fixed_size_vector 这样的专用容器将是以下两种情况之一：

• 在编译时修复了最大尺寸，在这种情况下它对你不起作用，因为你提到尺寸只有在运行时才知道
• 固定在 runtime 的最大大小，在这种情况下，它会完全按照我上面的建议进行，因为它会预先保留存储空间。李>

不可能在语言级别动态构造N 对象，仅在运行时使用自定义构造函数才知道。 句号。如果序列在编译时已知，而不是运行时已知，则可以这样做。

C++ 是静态编译的，因此我们不能将运行时n 值可变地扩展为一组T{...} 构造函数调用；这根本不可能。这意味着每次都会有一个循环。因此，您可以做的最优化的事情是分配一次n 对象，然后调用T 的构造函数n 次。

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^[1] 将参数列表传递给序列构造函数的 all 的简写语法在 C++ 中不是一个好的通用解决方案。事实上，它是次要的。这将通过const 左值引用强制复制，或者允许右值——在这种情况下，只有构造的 first 对象将获得有效值，之后的所有内容都将收到一个使用后- 移动对象！想象一下unique_ptr 到T 的序列。只有第一个实例会得到一个有效的指针，其他的都会收到nullptr

^[2] 老实说，您可以对此解决方案进行的唯一真正优化是使用自定义分配器，例如带有堆栈分配内存缓冲区的std::pmr::vector资源。

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脚注

我强烈建议您克服“效率第一”的心态。大多数开发人员对什么是高效和什么不高效的直觉是错误的；这就是分析器如此重要的原因。推测执行、缓存局部性和流水线在性能方面发挥着重要作用——这些事情远比简单地构造一个动态对象数组复杂得多。

真正的软件是为其他开发人员编写的，而不是为机器编写的。最好拥有可维护和可扩展的代码，并在已通过适当工具确定瓶颈的地方进行优化。