[C++] 关于operator[]()和at()

在接触到STL时，我发现大部分容器都有两个成员函数：operator[]()和at()。乍一看，这实现的不就是同一种功能，为什么要存在两个函数？我们去www.cplucplus.com看一看。

array

---

deque

---

forward_list

---

list

---

map

multimap

---

priority_queue

queue

---

multiset

set

---

stack

---

unordered_map

unordered_multimap

---

unordered_multiset

unordered_set

---

vector

vector

---

不仅仅是容器类，std::string和std::basic_string中也同时存在operator[]()函数和at()函数。

basic_string

string

---

从以上众多截图中可以看出：array、deque、map、unordered_map、vector、basic_string和string类中同时存在operator[]()和at(0函数（可能其他类中也有，但是本文只研究这么多:D）。

引入operator[]()的原因，我认为是为了增强代码的可读性，并且用户使用起来也更加方便，更像是在使用c语言中的数组。

接下来上一些代码吧：

/*code block 1*/
int main() {
    std::array iArray;

    std::cout << iArray.at(6) << std::endl;
    std::cout << "-------------" << std::endl;
    std::cout << iArray[6] << std::endl;

    return 0;
}

代码块1的运行结果如上图所示。

我们定义了一个大小为5的array，元素类型为int。位置为6的元素实际上不存在，代码分别使用at()和operator[]()对其访问。为了使结果更加明显，中间加入了分割线。

调用at()方法，如果下标越界，会使程序抛出一个std::out_of_range的异常。

而调用operator[]方法，如果下标越界，程序会崩溃。

你以为我写了这么多，贴了这么多图，就为了告诉你这个吗？当然不仅仅这些……

/*code block 2*/
int main() {
    std::deque iDeque;

    std::cout << iDeque.at(6) << std::endl;
    std::cout << "-------------" << std::endl;
    std::cout << iDeque[6] << std::endl;

    return 0;
}

代码块2的运行结果如上图所示，可以看出，运行结果与代码块1没有太大的区别。这也说明了deque和array这两个函数的功能是一致的。

/*code block 3*/
int main() {
    std::deque iDeque;

    iDeque.resize(5);
    std::cout << iDeque.at(6) << std::endl;
    std::cout << "-------------" << std::endl;
    std::cout << iDeque[6] << std::endl;

    return 0;
}

代码块3的运行结果与代码块2的运行结果完全一致。

/*code block 4*/
int main() {
    std::map isMap;

    isMap[1] = "1";
    std::cout << "-------------" << std::endl;
    isMap.at(2) = "2";

    return 0;
}

代码块4的运行结果如上图所示。wait，wait，wait！！！怎么会这样？map使用operator[]并没有出错，程序打印出了分隔符，接下来对at()的使用抛出了异常。但是，为什么停止工作？难道之前的猜想都是错的？

对map使用mapName[key] = value，实际上是生成一个键值对（make_pair(key, value)），将该键值对插入到map中。所以对map使用operator[]()函数不会导致错误（前提是key和value的类型要与定义一致）。

主要代码只保留一句isMap.at(2); 编译、运行、查看结果，发现运行结果与代码块4的运行结果不变。说明这次的程序崩溃是由at()函数引起的，在崩溃之前，它还抛出了std::out_of_range异常。

那么，以前的种种猜想是不是错了呢？回顾之前的代码并稍作修改：

/*code block 5*/
int main() {
    std::array iArray;

    iArray.at(5) = 5;
}

代码块5运行出的结果既抛出了std::out_of_range异常，又停止了工作。我们是不是冤枉了operator[]()？

/*code block 6*/
int main() {
    std::array iArray;

    iArray[6] = 6;

    return 0;
}

代码6的运行结果如上图，当点击了“关闭程序”后，命令行显示如下：

说明我们没有冤枉operator[]()，它对下标的不当操作也会导致程序停止工作。

/*code blocks 7*/
int main() {
    std::deque iDeque;

    iDeque[16] = 5;
    std::cout << iDeque.size() << std::endl;
    std::cout << iDeque[16] << std::endl;
    std::cout << iDeque.at(16) << std::endl;

    return 0;
}

在代码块中，首先输入iDeque[16] = 5，编译，程序能够正常运行，这已经与array有所不同了。

接下来，我想看看deque的大小是否改变了，结果输出依然为0。

再输入iDeque[16]的值，可以正常输出，是5.

加入最后一句，运行结果如下：

事实上，内存中iDeque[16]的位置上的值为5，at()函数崩溃是因为它在调用时做了下标检查，因为iDeque的size()为0，所以16这个下标是无效的，所以抛出了std::out_of_range异常。

/*code block 8*/
int main() {
    std::unordered_map isUnorderedMap;

    isUnorderedMap[3] = "three";
    std::cout << isUnorderedMap.size() << std::endl;
    std::cout << isUnorderedMap[3] << std::endl;
    std::cout << isUnorderedMap.at(3) << std::endl;

    return 0;
}

代码块8的运行结果如上图所示，在使用operator[]对isUnorderedMap中添加元素之后，用at()函数可以正常访问到该元素。试图用at()函数去添加元素时，程序抛出std::out_of_range异常。

/*code block 9*/
int main() {
    std::vector iVector;

    iVector[2] = 5;

    return 0;
}

代码块9的运行结果如山图所示，虽然只有简单的一行代码，仍然使得程序停止了。因为iVector是一个空的vector，而vector不支持用这种方式添加元素，所以程序停止工作。

​​/*code block 10*/
int main() {
    std::vector iVector;

    iVector.at(3) = 5;

    return 0;
}

代码块10的运行结果如上图，程序抛出了std::out_of_range异常。

/*code block 11*/
int main() {
    std::vector iVector(5);

    iVector.at(3) = 5;
    iVector[2] = 9;
    std::cout << "-------------" << std::endl;
    std::cout << iVector[5] << std::endl;
    std::cout << "-------------" << std::endl;
    std::cout << iVector.at(5) << std::endl;

    return 0;
}

代码块11的运行结果如上图，可以看出，虽然iVector只有5个元素，但是使用operator[]()访问位置为5的元素不会出错，因为operator[]()没有做下标有效性检查。使用at()函数访问位置为5的元素，因为进行了下标的有效性判断，所以抛出了std::out_of_range异常。

/*code block 12*/
int main() {
    std::vector iVector;

    iVector.reserve(8);
    std::cout << iVector.size() << std::endl;
    std::cout << iVector.capacity() << std::endl;
    std::cout << "-------------" << std::endl;
    std::cout << iVector[5] << std::endl;
    std::cout << "-------------" << std::endl;
    std::cout << iVector.at(5) << std::endl;

    return 0;
}

代码块12的运行结果如上图。通过调用reserve()方法，将iVector的capacity改为8，然而size还是0，所以通过at()访问会抛出std::out_of_range异常，而使用operator[]()访问则不会。

/*code block 13*/
int main() {
    std::string  str1 = "str1";

    std::cout << str1.size() << std::endl;
    std::cout << "-------------" << std::endl;
    std::cout << "[" << str1[str1.size()] << "]" << std::endl;
    std::cout << "-------------" << std::endl;
    std::cout << "[" << str1.at(str1.size()) << "]" << std::endl;

    return 0;
}

代码块13的运行结果如上图所示。str1长度为4，用operator[]()访问位置为4的元素，输出为一个空格字符（也有可能为其他字符）。用at()访问位置为4的元素，抛出std::out_of_range异常。

/*code block 14*/
int main() {
    std::basic_string  str = "str";

    std::cout << str.size() << std::endl;
    std::cout << "-------------" << std::endl;
    std::cout << "[" << str[str.size()] << "]" << std::endl;
    std::cout << "-------------" << std::endl;
    std::cout << "[" << str.at(str.size()) << "]" << std::endl;

    return 0;
}

代码块14的运行结果如上图，std::basic_string是模板类，运行结果与代码块13一致，这里不再赘述。

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总结

STL提供的容器中：

array、deque、vector不能通过operator[]()向容器中添加元素。

map、unordered_map类可以通过operator[]向容器中添加元素。

以上容器均不能通过at()函数向容器重添加元素。

at()函数在被调用时，会检查下标的有效性（与容器的size()比较而不是capacity()（例如vector）），若下标有效则返回对应位置的元素，否则抛出std::out_of_range异常。

operator[]()函数在被调用时，不检查下标的有效性。

例外：对于array而言，无论使用operator[]还是at()都会做下标有效性检查（代码块6）。

 

注：以上所有代码均使用code::blocks17.12进行编译。

注：转载请注明出处，谢谢。