一、線性容器：std::array 與 std::forward_list

1. std::array：固定大小的高效容器

在傳統 C++ 中，數組與 vector 的抉擇常讓人糾結：數組缺乏安全檢查，vector 存在動態擴容開銷。C++11 引入的std::array完美平衡了兩者優勢：

• 特性解析：

  • 編譯期確定大小，內存連續分配，訪問效率與 C 數組一致；
  • 封裝了迭代器、size ()、empty () 等標準接口，兼容 STL 算法；
  • 避免 vector 擴容時的重分配開銷，適合已知容量的場景。

• 代碼示例：

#include <array>
#include <iostream>
#include <algorithm>int main() {// 初始化與基本操作std::array<int, 4> arr = {1, 3, 2, 4};std::cout << "數組大小：" << arr.size() << std::endl;// 迭代器與算法支持std::sort(arr.begin(), arr.end());for (const auto& num : arr) {std::cout << num << " ";}// 與C接口兼容int* c_ptr = arr.data();return 0;
}

• 使用場景：
  • 存儲固定長度的配置項（如哈希表桶數量）；
  • 替代局部 C 數組，避免越界風險；
  • 作為函數參數傳遞時，避免退化為指針導致的長度丟失。

2. std::forward_list：單向鏈表的輕量選擇

與雙向鏈表std::list相比，std::forward_list采用單向鏈表實現，犧牲反向遍歷能力換取更緊湊的內存布局：

• 核心優勢：

  • 節點僅含 next 指針，空間利用率比 list 高約 30%；
  • 支持 O (1) 復雜度的頭部插入 / 刪除；
  • 無 size () 方法（需遍歷計算長度），適合 “添加 - 遍歷” 場景。

• 典型應用：

#include <forward_list>int main() {std::forward_list<int> flist;flist.push_front(1);flist.push_front(2);// 遍歷與刪除auto it = flist.begin();if (it != flist.end()) {flist.erase_after(it); // 刪除頭節點后的元素}// 合并鏈表std::forward_list<int> another = {3, 4};flist.merge(another);return 0;
}

二、無序容器：哈希表的標準化實現

傳統std::map/std::set基于紅黑樹實現，插入與查找復雜度為 O (logN)。C++11 引入的無序容器基于哈希表，平均復雜度降至 O (1)：

1. 接口與性能對比

以std::unordered_map為例，與std::map的關鍵差異：

特性	std::map	std::unordered_map
底層結構	紅黑樹	哈希表 + 鏈表（解決沖突）
插入復雜度	O(logN)	平均 O (1)，最壞 O (N)
遍歷順序	按鍵有序	無固定順序
內存開銷	每個節點含左右指針	哈希桶 + 鏈表指針
適用場景	需有序遍歷、范圍查詢	高頻查找、無序存儲

2. 實戰技巧

• 哈希函數定制：

#include <unordered_map>
#include <string>struct Person {std::string name;int age;bool operator==(const Person& other) const {return name == other.name && age == other.age;}
};// 為自定義類型特化哈希函數
namespace std {template<>struct hash<Person> {size_t operator()(const Person& p) const {return hash<string>()(p.name) ^ (hash<int>()(p.age) << 1);}};
}int main() {std::unordered_map<Person, string> person_map;return 0;
}

• 性能優化點：
  • 預分配桶數量：reserve(n)避免動態擴容導致的重哈希；
  • 減少哈希沖突：選擇分布均勻的哈希函數，或使用std::unordered_map的max_load_factor調整負載因子；
  • 避免頻繁修改鍵值：修改鍵值可能導致哈希位置變化，需重新插入。

三、元組 std::tuple：多類型數據的聚合神器

傳統std::pair僅能存儲兩個元素，std::tuple則支持任意數量、任意類型的元素組合：

1. 基礎操作與解包

#include <tuple>
#include <iostream>int main() {// 創建元組auto student = std::make_tuple(95, 'A', "張三");// 訪問元素（編譯期索引）int score = std::get<0>(student);char grade = std::get<1>(student);// 結構化綁定（C++17特性）auto [s, g, name] = student;std::cout << "姓名：" << name << "，成績：" << s << std::endl;// 元組合并auto new_tuple = std::tuple_cat(student, std::make_tuple(18));return 0;
}

2. 運行期索引與泛型處理

C++17 引入的std::variant配合元組，實現運行期動態索引：

#include <variant>
#include <tuple>
#include <iostream>// 運行期索引元組元素
template <size_t N, typename... T>
constexpr std::variant<T...> tuple_at(const std::tuple<T...>& tpl, size_t index) {if constexpr (N >= sizeof...(T)) {throw std::out_of_range("索引越界");}if (index == N) {return std::variant<T...>{std::in_place_index<N>, std::get<N>(tpl)};}return tuple_at<(N < sizeof...(T) - 1 ? N + 1 : 0)>(tpl, index);
}int main() {auto t = std::make_tuple(10, "hello", 3.14);size_t idx = 1;std::visit([](auto&& x) { std::cout << x << std::endl; }, tuple_at<0>(t, idx));return 0;
}

3. 實用場景

• 函數多返回值（替代結構體或 pair 嵌套）；
• 數據庫記錄映射（一行數據映射為元組）；
• 泛型編程中的參數包處理（如日志函數的可變參數格式化）。

四、容器選擇與性能優化

1. 按場景選容器：

   • 需有序遍歷：std::map/std::set；
   • 高頻查找：std::unordered_map/std::unordered_set；
   • 固定大小數組：std::array；
   • 頻繁頭部插入：std::forward_list。

2. 性能優化 Tips：

   • std::vector預留空間：reserve()避免多次擴容；
   • 優先使用emplace_back替代push_back+ 構造；
   • 對std::unordered_map，合理設置哈希函數與負載因子；
   • 元組作為函數返回值時，利用std::move避免拷貝。