为何STL array首元素为数组大小，其副本却符合预期？

问题描述 #

我原本想学习如何将一维数组当作二维数组进行旋转，却发现了异常现象：声明包含16个int的std::array，打印时首元素显示为16（数组大小），但复制到同大小的std::array后，副本打印结果符合初始定义值。后续发现复制代码存在数组越界错误，但仍有疑问：为何原数组首元素变为数组大小，副本却无此问题？

相关代码：

// 打印函数
void func(std::array<int, 16> arr){
   for(int i = 0; i < 16; ++i){    
      std::cout << arr[i] << ' ';
      if((i + 1) % 4 == 0) 
         std::cout << std::endl;
   }
}
// 原数组声明
std::array<int, 16> arr{
   1, 2, 3, 4,
   0, 1, 2, 3, 
   0, 0, 1, 2,
   0, 0, 0, 1
};
// 复制代码（存在越界）
for(int i = 0; i <= 16;++i){
   rotd_arr[i] = arr[i];
}

核心原因：数组越界触发的未定义行为 #

你的问题本质是数组越界访问导致的未定义行为，具体现象和编译器的内存布局直接相关，拆解如下：

• 越界访问的发生
  复制循环的条件是i <= 16，会执行17次循环（i从0到16），但std::array<int,16>的有效索引范围是0~15。当i=16时，arr[16]属于越界读取，rotd_arr[16]属于越界写入——这在C++中是未定义行为，编译器无法保证任何预期结果。

• 原数组首元素变为16的具体原因
  在你的编译环境中，rotd_arr和arr的栈内存可能相邻。执行rotd_arr[16] = arr[16]时：

  1. arr[16]越界读取到栈上的循环变量i的当前值16；
  2. rotd_arr[16]的内存地址恰好覆盖了arr的首元素arr[0]的地址，导致arr[0]被意外修改为16。

• 副本打印正常的原因
  副本rotd_arr的有效元素是索引0~15，越界写入的rotd_arr[16]不在打印函数的遍历范围内，因此有效元素未被破坏，打印结果看起来符合初始值。但实际上rotd_arr的内存已经被非法修改，只是影响的是数组之外的区域。

修复方案 #

将循环条件改为i < 16，确保只访问有效索引：

for(int i = 0; i < 16; ++i){
   rotd_arr[i] = arr[i];
}

或者直接使用std::array的赋值运算符，更简洁安全：

rotd_arr = arr;

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Noah M