C++ 中何时应使用 Vector 的 at() 而非 vector operator[]？

在 C++ 中，std::vector 容器提供了两种标准的方法来按索引访问元素：operator[] 和 at() 成员函数。虽然它们的作用相同，但选择哪种方法取决于对安全性和性能的偏好，以及编程任务的上下文。虽然两者都用于访问元素，但它们的行为和安全特性有所不同。了解何时使用 operator[] 而不是 at() 函数有助于编写更安全、更健壮的代码。

std::vector 概述

std::vector 是 C++ 中的一个动态 数组。它是一种灵活的、类似数组的数据结构，可以增长和缩小。该类提供了多种操作其数据的方法，包括访问元素的方法。

operator[] 方法

通过使用数组下标语法可以找到使用 operator[] 方法访问 vector 中的元素。例如：

operator[] 的特性

C++ 中 operator[] 函数的几个特性如下：

• 无边界检查： 不进行边界检查是 operator[] 最显著的特性之一。这意味着如果使用错误的索引进行数组访问，行为将是未定义的。

• 性能： 在没有边界检查的情况下，operator[] 的运行速度比 at() 快。如果性能很重要，并且我们有充分的理由认为我们的索引是有效的，那么 operator[] 会更有效。
• 便利性： 它允许我们以一种易于理解且简洁的方式访问元素，这与普通数组访问类似。

at() 方法

访问 vector 中元素的另一种方法是通过 at() 方法，其用法如下：

at() 的特性

C++ 中 at() 函数的几个特性如下：

• 边界检查： at() 相较于 operator[] 的主要优势在于它执行边界检查。如果我们尝试访问一个超出范围的索引，它会抛出 std::out_of_range 异常。
• 安全性： at() 函数具有边界检查，通常被认为更安全，尤其是在索引的可靠性不能保证或索引是在运行时动态获取的情况下。
• 性能开销： 边界检查的一个缺点是会带来性能上的损失，因为边界检查的安全性可能会在性能关键的代码段中降低性能。在这些地方，如果我们确定索引是有效的，operator[] 可能更适合。

何时使用 at() 而不是 operator[]

• 用户生成输入的索引： 如果我们的索引是用户生成的或来自任何动态源，请使用 at() 函数。它有助于尽早捕获所有潜在的越界访问，并避免可能导致程序崩溃或安全漏洞的未定义行为。

• 调试期间： 在软件开发过程中，使用 at() 函数进行调试，有助于跟踪涉及越界访问的错误。由于会抛出带有清晰错误消息的异常，因此更容易跟踪问题。
• 库/API 设计： 如果我们正在构建一个库或 API，我们的用户将使用我们的 数据结构，则倾向于使用 at() 来访问元素。它增加了一点防止误用的保护，使我们的接口更安全。
• 关键应用： 对于极其关键的应用（金融或嵌入式），可靠性至关重要，使用 at() 函数可以避免因访问无效内存而导致的灾难性故障。
• 迭代开发： 如果我们处于迭代开发阶段，并且频繁更改数据访问方式，at() 函数可以减少代码修改时引入或重新引入 bug 的可能性。

何时使用 operator[]

• 性能优化： 在性能关键的代码块中，当我们能够保证索引有效（例如，在严格的控制循环中）时，operator[] 的性能会更好。
• 静态： 当我们使用常量或预定义的索引时，operator[] 是安全的，因为我们知道它们是有效的。
• 静态作用域： 当我们使用常量或某种固定索引时，operator[] 是完全安全的，因为我们知道这些索引将始终有效。

• 内部实现： 在编写控制正在访问的索引的内部代码的领域，当也关注性能时，使用 operator[] 可能是有利的。

异常处理

使用 at() 函数的一个亮点是其异常处理机制。当访问不正确的索引时，它会抛出 std::out_of_range 异常，这使得在大型应用程序中有一个更强大的错误处理方案，其中数据完整性可能至关重要。

性能考虑

虽然 operator[] 更快，因为它没有边界检查，但在大多数应用程序中，这种性能差异并不显著，尤其是在考虑到我们程序的通用算法复杂度时。然而，在性能关键的代码中，它可能会累积。

• 基准测试： 如果我们怀疑边界检查机制是我们的性能瓶颈，我们可能需要对应用程序进行性能剖析。我们可以为此目的使用 **gprof** 或 **Valgrind**，或者 IDE 中的一些内置性能剖析工具。

可读性和代码标准

从代码可读性的角度来看，at() 函数可以非常清晰地表达我们的意图。vec.at(ind) 函数让我们知道我们已经考虑了越界访问，并且我们正在适当地处理它。

最佳实践

• 优先在公共接口中使用 at() 函数： 如果我们正在设计一个库或 API，所有面向公众的函数都使用 at() 函数。它将保护用户免受与无效索引相关的索引错误。
• 在私有方法中使用 operator[]： 如果我们控制着正在访问的索引（例如，在私有方法中），并且性能是一个问题，那么使用 operator[] 是简单且安全的。

结论

总之，在 **std::vector::at()** 和 **std::vector::operator[]** 之间进行选择取决于保护和性能。在安全至关重要时使用 **at()** 函数，包括用户生成的索引、调试或面向公众的 API，因为它提供了边界检查并为越界访问抛出异常。相反，在性能关键、静态索引或索引可以保证有效的受控内部实现的情况下，选择 **operator[]** 函数，因为它避免了边界检查的开销并且速度更快。在大多数情况下，为了更安全、更可读的代码，请优先使用 at()，但在需要高性能的情况下可以使用 operator[]。