嵌入式现代C++教程——std::array：编译期固定大小数组¶

你写嵌入式代码时，堆（heap）常常像个不可靠的室友：随时可能把屋子掀翻。std::array 就像那位稳重但不多话的朋友——编译期确定大小、占栈或静态存储、没有动态分配，性能可预测，语义清楚。我们的一个重点就是——他跟传统的C风格数组比起来，怎么样的事情。

什么是 `std::array`¶

std::array<T, N> 是一个封装了 C 风格数组的轻量类模板：大小 N 在编译期就确定，提供 STL 风格的接口（.size()、.begin()、.data()、operator[]、迭代器等），且通常不会比原始数组多多少运行开销。

为什么在嵌入式喜欢它¶

零动态分配：没有 new / malloc，适合无堆或受限内存环境。
可预测内存布局：编译期大小、连续存储，方便用于 DMA、裸指针接口。
STL 友好：可以直接传给算法（std::sort、std::fill）和容器适配器。
constexpr 支持：可以用作编译期查表或常量数据。
类型安全与自文档化：std::array<uint8_t, 128> 明确表达意图，比 uint8_t buf[128] 更现代。

基本用法（代码示例）¶

#include <array>
#include <algorithm>
#include <cstdint>
#include <iostream>

int main() {
    std::array<uint8_t, 8> buf{}; // value-initialized -> all zeros
    buf[0] = 0xAA;
    buf.at(1) = 0x55; // .at 会做边界检查（抛异常）

    // 兼容 STL 算法
    std::fill(buf.begin(), buf.end(), 0xFF);

    // 传给 C API（不会隐式退化）：使用 data()
    // c_function(buf.data(), buf.size());

    for (auto b : buf) std::cout << int(b) << ' ';
    std::cout << '\n';
}

小提醒：.at() 在异常被禁用或不可用的裸机环境下不适合；用 operator[] 并保持索引正确。

与 C 数组、`std::vector` 的比较¶

和 C 数组：std::array 是包起来的类，支持 .size()、迭代器、std::get、结构化绑定，且能作为对象被拷贝/赋值。底层仍是连续内存。
和 std::vector：vector 可动态调整大小（需堆），std::array 无堆、大小固定、开销更小、语义更明确，嵌入式通常更倾向 std::array。

常见技巧和细节（嵌入式角度）¶

1. 放静态区还是栈上？¶

小数组（几十、几百字节）可放在栈上。注意任务/ISR 的栈深度限制。
较大数组应放为 static 或放在 .bss，或放入只读闪存（constexpr 数据）以节省 RAM。

示例：

static std::array<uint8_t, 1024> big_buf; // 在 .bss，程序启动后分配

2. 用于 DMA / 外设¶

因为 std::array 保证连续内存，你可以安全地传 arr.data() 给 DMA 或 HAL。但确保元素类型是 可复制且没有需要特殊构造的复杂类型（一般使用 POD 或 trivial 类型）。

3. 编译期表与 `constexpr`¶

std::array 可用于编译期常量查表（免运行时初始化）：

#include <array>

constexpr std::array<int, 5> make_table() {
    return {0, 1, 4, 9, 16};
}

constexpr auto table = make_table(); // 存在于只读段，可放进 flash
static_assert(table[3] == 9);

如果你需要在编译期生成一个更复杂的表，可以配合 std::index_sequence 做元编程（不赘述复杂实现，这里先给出思路：用 index_sequence 展开索引并在 constexpr 函数中产生元素`）。

4. 结构化绑定与 `std::get`¶

std::array 支持 std::get<0>(arr) 和结构化绑定（C++17）：

std::array<int, 3> a = {1,2,3};
auto [x,y,z] = a; // nice for small fixed tuples

5. 避免退化为指针的陷阱¶

C 风格数组在传参时会退化为指针，而 std::array 不会，你必须明确传 .data() 或 .size()：

void c_api(uint8_t* p, size_t n);
std::array<uint8_t, 16> arr;
c_api(arr.data(), arr.size());

6. 与裸机异常策略的兼容性¶

某些嵌入式编译链把异常支持关掉，这会影响 .at()（抛异常）的使用。建议在无异常环境下只用 operator[] 并在编译期/开发期做边界检查工具。

高级话题：当元素不是 POD 时¶

std::array<T, N> 的元素可以是任意类型 T。但在嵌入式里常见注意点：

如果 T 有复杂构造/析构，静态初始化（尤其零初始化）行为会不同，要保证构造成本被接受。
对于需要通过 DMA 读写的缓冲区，T 应该是 trivially copyable。

可以一试——把 `std::array` 用作编译期 CRC 表¶

#include <array>
#include <cstdint>

constexpr std::array<uint32_t, 256> make_crc_table() {
    std::array<uint32_t, 256> t{};
    for (size_t i = 0; i < 256; ++i) {
        uint32_t crc = static_cast<uint32_t>(i);
        for (int j = 0; j < 8; ++j)
            crc = (crc & 1) ? (0xEDB88320u ^ (crc >> 1)) : (crc >> 1);
        t[i] = crc;
    }
    return t;
}

constexpr auto crc_table = make_crc_table(); // 编译期计算，放到只读段（若编译器支持）

在支持的工具链上，这样可以把查表数据放进 flash，节省 RAM。