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Topos Uranos
中文 (中国)

记录

摘要

到目前为止，本课程的每种集合都只保存一种类型的数据：成绩、身高、表格的格子。而问题中的实体却有多个不同类型的属性：一个学生有姓名和成绩；一本书有书名、作者和年份。本课介绍记录，即程序员自己用 struct 定义的复合类型，用来把这些属性归在一个名字之下。本课先讲记录存在的理由，即并行数组的脆弱性；接着讲 struct 的定义、带初始值的字段，以及用花括号和指派初始化器创建记录；然后讲记录作为函数的参数和结果；再讲记录的向量，它用结构化绑定遍历，按某个字段排序和查找，并讨论稳定排序的问题；最后讲如何用反映问题领域的类型为问题建模。

学习目标

  1. 定义带字段和初始值的 struct，并用花括号初始化创建记录，包括使用指派初始化器。
  2. 编写接收和返回记录的函数，并选择传递方式。
  3. 用带投影的 std::ranges::sort、std::ranges::stable_sort 和 std::ranges::find，按某个字段对记录的向量排序和查找，并区分稳定排序与不稳定排序。
  4. 用记录为问题的数据建模，并说明选择哪些字段和类型的理由。

组合数据

并行数组

假设一个程序必须为一个班的每个学生保存姓名、成绩和年龄。凭借到表格一课为止所学的内容，现成的解法是三个向量，每个属性一个，并约定下标 ii 在三个向量中指同一个人：names[i]、grades[i] 和 ages[i]。这样的向量称为并行数组。表格不行，因为它的格子必须全部是同一类型，而姓名不是数。

C++ 程序
#include <algorithm>#include <cstddef>#include <print>#include <string>#include <vector>​int main(){    const std::vector<std::string> names{"安娜", "路易斯", "伊娃"};    std::vector<int> grades{6, 4, 7};    const std::vector<int> ages{19, 22, 20};    std::ranges::sort(grades);    for (std::size_t i{0}; i < names.size(); ++i) {        std::println("{}：成绩 {}，{} 岁", names[i], grades[i], ages[i]);    }}
输出
安娜：成绩 4，19 岁路易斯：成绩 6，22 岁伊娃：成绩 7，20 岁

这个程序本想按成绩给学生排序，却只排了成绩。它编译时没有任何警告，内存错误检测器 AddressSanitizer 和未定义行为检测器 UndefinedBehaviorSanitizer 也都没有什么可报告的；然而它的输出是错的：安娜原本是 6 分，输出里却成了 4 分。把三个向量联系在一起的约定没有写在编译器能读到的任何地方，所以没有什么能阻止它被破坏。由此可见并行数组的脆弱性：凡是移动、添加或删除元素的操作，都必须在所有向量中以同样的方式、按同样的顺序重复一遍；只要漏掉一个，数据就会悄无声息地被破坏。

例题错位的行与整张移动的卡片

三个并行数组与一个卡片向量的对照，每张卡片含有一个人的三项数据。

证明

  1. 第 0 列描述一个人：names[0]、grades[0] 和 ages[0] 是安娜的姓名、成绩和年龄。把它们联系起来的只有下标。

  2. std::ranges::sort(grades) 只重排了一行。另外两行并不知情：第 0 列现在拼凑的是安娜的姓名、路易斯的成绩和安娜的年龄，它们不属于任何人。

  3. 另一种做法：只用一个向量，它的元素是卡片。每张卡片含有一个人的三项数据，把它们联系起来的不再是关于下标的约定，而是卡片本身。

  4. 按成绩排序时移动的是整张卡片：路易斯的卡片连同他的姓名和年龄一起移到第一位。任何一项数据都不可能与其余数据分离，因为这个操作根本不会把它们分开看待。

若是如此，问题所要求的就是一种值为卡片的类型：一个值，含有一个姓名、一个成绩和一个年龄，并且作为一个整体被复制、传给函数、存进向量和排序。C++ 没有现成的这种类型，因为每个问题的卡片各不相同；但它允许程序员自己定义。这种类型就是记录。