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wiki/docs/开发/C/数组.md

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2022-03-30 15:37:37 +08:00
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id: 数组
title: 数组
sidebar_position: 9
data: 2022年3月30日
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## 简介
数组是一组相同类型的值,按照顺序储存在一起。数组通过变量名后加方括号表示,方括号里面是数组的成员数量。
```c
int scores[100];
```
上面示例声明了一个数组`scores`里面包含100个成员每个成员都是`int`类型。
注意,声明数组时,必须给出数组的大小。
数组的成员从`0`开始编号,所以数组`scores[100]`就是从第0号成员一直到第99号成员最后一个成员的编号会比数组长度小`1`。
数组名后面使用方括号指定编号,就可以引用该成员。也可以通过该方式,对该位置进行赋值。
```c
scores[0] = 13;
scores[99] = 42;
```
上面示例对数组`scores`的第一个位置和最后一个位置,进行了赋值。
注意,如果引用不存在的数组成员(即越界访问数组),并不会报错,所以必须非常小心。
```c
int scores[100];
scores[100] = 51;
```
上面示例中,数组`scores`只有100个成员因此`scores[100]`这个位置是不存在的。但是,引用这个位置并不会报错,会正常运行,使得紧跟在`scores`后面的那块内存区域被赋值,而那实际上是其他变量的区域,因此不知不觉就更改了其他变量的值。这很容易引发错误,而且难以发现。
数组也可以在声明时,使用大括号,同时对每一个成员赋值。
```c
int a[5] = {22, 37, 3490, 18, 95};
```
注意,使用大括号赋值时,必须在数组声明时赋值,否则编译时会报错。
```c
int a[5];
a = {22, 37, 3490, 18, 95}; // 报错
```
上面代码中,数组`a`声明之后再进行大括号赋值,导致报错。
报错的原因是C 语言规定,数组变量一旦声明,就不得修改变量指向的地址,具体会在后文解释。由于同样的原因,数组赋值之后,再用大括号修改值,也是不允许的。
```c
int a[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
a = {22, 37, 3490, 18, 95}; // 报错
```
上面代码中,数组`a`赋值后,再用大括号重新赋值也是不允许的。
使用大括号赋值时,大括号里面的值不能多于数组的长度,否则编译时会报错。
如果大括号里面的值,少于数组的成员数量,那么未赋值的成员自动初始化为`0`。
```c
int a[5] = {22, 37, 3490};
// 等同于
int a[5] = {22, 37, 3490, 0, 0};
```
如果要将整个数组的每一个成员都设置为零,最简单的写法就是下面这样。
```c
int a[100] = {0};
```
数组初始化时,可以指定为哪些位置的成员赋值。
```c
int a[15] = {[2] = 29, [9] = 7, [14] = 48};
```
上面示例中数组的2号、9号、14号位置被赋值其他位置的值都自动设为0。
指定位置的赋值可以不按照顺序,下面的写法与上面的例子是等价的。
```c
int a[15] = {[9] = 7, [14] = 48, [2] = 29};
```
指定位置的赋值与顺序赋值,可以结合使用。
```c
int a[15] = {1, [5] = 10, 11, [10] = 20, 21}
```
上面示例中0号、5号、6号、10号、11号被赋值。
C 语言允许省略方括号里面的数组成员数量,这时将根据大括号里面的值的数量,自动确定数组的长度。
```c
int a[] = {22, 37, 3490};
// 等同于
int a[3] = {22, 37, 3490};
```
上面示例中,数组`a`的长度,将根据大括号里面的值的数量,确定为`3`。
省略成员数量时如果同时采用指定位置的赋值那么数组长度将是最大的指定位置再加1。
```c
int a[] = {[2] = 6, [9] = 12};
```
上面示例中,数组`a`的最大指定位置是`9`所以数组的长度是10。
## 数组长度
`sizeof`运算符会返回整个数组的字节长度。
```c
int a[] = {22, 37, 3490};
int arrLen = sizeof(a); // 12
```
上面示例中,`sizeof`返回数组`a`的字节长度是`12`。
由于数组成员都是同一个类型,每个成员的字节长度都是一样的,所以数组整体的字节长度除以某个数组成员的字节长度,就可以得到数组的成员数量。
```c
sizeof(a) / sizeof(a[0])
```
上面示例中,`sizeof(a)`是整个数组的字节长度,`sizeof(a[0])`是数组成员的字节长度,相除就是数组的成员数量。
注意,`sizeof`返回值的数据类型是`size_t`,所以`sizeof(a) / sizeof(a[0])`的数据类型也是`size_t`。在`printf()`里面的占位符,要用`%zd`或`%zu`。
```c
int x[12];
printf("%zu\n", sizeof(x)); // 48
printf("%zu\n", sizeof(int)); // 4
printf("%zu\n", sizeof(x) / sizeof(int)); // 12
```
上面示例中,`sizeof(x) / sizeof(int)`就可以得到数组成员数量`12`。
## 多维数组
C 语言允许声明多个维度的数组,有多少个维度,就用多少个方括号,比如二维数组就使用两个方括号。
```c
int board[10][10];
```
上面示例声明了一个二维数组第一个维度有10个成员第二个维度也有10个成员。
多维数组可以理解成上层维度的每个成员本身就是一个数组。比如上例中第一个维度的每个成员本身就是一个有10个成员的数组因此整个二维数组共有100个成员10 x 10 = 100
三维数组就使用三个方括号声明,以此类推。
```c
int c[4][5][6];
```
引用二维数组的每个成员时,需要使用两个方括号,同时指定两个维度。
```c
board[0][0] = 13;
board[9][9] = 13;
```
注意,`board[0][0]`不能写成`board[0, 0]`,因为`0, 0`是一个逗号表达式,返回第二个值,所以`board[0, 0]`等同于`board[0]`。
跟一维数组一样,多维数组每个维度的第一个成员也是从`0`开始编号。
多维数组也可以使用大括号,一次性对所有成员赋值。
```c
int a[2][5] = {
{0, 1, 2, 3, 4},
{5, 6, 7, 8, 9}
};
```
上面示例中,`a`是一个二维数组,这种赋值写法相当于将第一维的每个成员写成一个数组。这种写法不用为每个成员都赋值,缺少的成员会自动设置为`0`。
多维数组也可以指定位置,进行初始化赋值。
```c
int a[2][2] = {[0][0] = 1, [1][1] = 2};
```
上面示例中,指定了`[0][0]`和`[1][1]`位置的值,其他位置就自动设为`0`。
不管数组有多少维度,在内存里面都是线性存储,`a[0][0]`的后面是`a[0][1]``a[0][1]`的后面是`a[1][0]`,以此类推。因此,多维数组也可以使用单层大括号赋值,下面的语句与上面的赋值语句是完全等同的。
```c
int a[2][2] = {1, 0, 0, 2};
```
## 变长数组
数组声明的时候数组长度除了使用常量也可以使用变量。这叫做变长数组variable-length array简称 VLA
```c
int n = x + y;
int arr[n];
```
上面示例中,数组`arr`就是变长数组,因为它的长度取决于变量`n`的值,编译器没法事先确定,只有运行时才能知道`n`是多少。
变长数组的根本特征,就是数组长度只有运行时才能确定。它的好处是程序员不必在开发时,随意为数组指定一个估计的长度,程序可以在运行时为数组分配精确的长度。
任何长度需要运行时才能确定的数组,都是变长数组。
```c
int i = 10;
int a1[i];
int a2[i + 5];
int a3[i + k];
```
上面示例中,三个数组的长度都需要运行代码才能知道,编译器并不知道它们的长度,所以它们都是变长数组。
变长数组也可以用于多维数组。
```c
int m = 4;
int n = 5;
int c[m][n];
```
上面示例中,`c[m][n]`就是二维变长数组。
## 数组的地址
数组是一连串连续储存的同类型值,只要获得起始地址(首个成员的内存地址),就能推算出其他成员的地址。请看下面的例子。
```c
int a[5] = {11, 22, 33, 44, 55};
int* p;
p = &a[0];
printf("%d\n", *p); // Prints "11"
```
上面示例中,`&a[0]`就是数组`a`的首个成员`11`的内存地址,也是整个数组的起始地址。反过来,从这个地址(`*p`),可以获得首个成员的值`11`。
由于数组的起始地址是常用操作,`&array[0]`的写法有点麻烦C 语言提供了便利写法,数组名等同于起始地址,也就是说,数组名就是指向第一个成员(`array[0]`)的指针。
```c
int a[5] = {11, 22, 33, 44, 55};
int* p = &a[0];
// 等同于
int* p = a;
```
上面示例中,`&a[0]`和数组名`a`是等价的。
这样的话,如果把数组名传入一个函数,就等同于传入一个指针变量。在函数内部,就可以通过这个指针变量获得整个数组。
函数接受数组作为参数,函数原型可以写成下面这样。
```c
// 写法一
int sum(int arr[], int len);
// 写法二
int sum(int* arr, int len);
```
上面示例中,传入一个整数数组,与传入一个整数指针是同一回事,数组符号`[]`与指针符号`*`是可以互换的。下一个例子是通过数组指针对成员求和。
```c
int sum(int* arr, int len) {
int i;
int total = 0;
// 假定数组有 10 个成员
for (i = 0; i < len; i++) {
total += arr[i];
}
return total;
}
```
上面示例中,传入函数的是一个指针`arr`(也是数组名)和数组长度,通过指针获取数组的每个成员,从而求和。
`*`和`&`运算符也可以用于多维数组。
```c
int a[4][2];
// 取出 a[0][0] 的值
*(a[0]);
// 等同于
**a
```
上面示例中,由于`a[0]`本身是一个指针,指向第二维数组的第一个成员`a[0][0]`。所以,`*(a[0])`取出的是`a[0][0]`的值。至于`**a`,就是对`a`进行两次`*`运算,第一次取出的是`a[0]`,第二次取出的是`a[0][0]`。同理,二维数组的`&a[0][0]`等同于`*a`。
注意,数组名指向的地址是不能更改的。声明数组时,编译器自动为数组分配了内存地址,这个地址与数组名是绑定的,不可更改,下面的代码会报错。
```c
int ints[100];
ints = NULL; // 报错
```
上面示例中,重新为数组名赋值,改变原来的内存地址,就会报错。
这也导致不能将一个数组名赋值给另外一个数组名。
```c
int a[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
// 写法一
int b[5] = a; // 报错
// 写法二
int b[5];
b = a; // 报错
```
上面两种写法都会更改数组`b`的地址,导致报错。
## 数组指针的加减法
C 语言里面,数组名可以进行加法和减法运算,等同于在数组成员之间前后移动,即从一个成员的内存地址移动到另一个成员的内存地址。比如,`a + 1`返回下一个成员的地址,`a - 1`返回上一个成员的地址。
```c
int a[5] = {11, 22, 33, 44, 55};
for (int i = 0; i < 5; i++) {
printf("%d\n", *(a + i));
}
```
上面示例中,通过指针的移动遍历数组,`a + i`的每轮循环每次都会指向下一个成员的地址,`*(a + i)`取出该地址的值,等同于`a[i]`。对于数组的第一个成员,`*(a + 0)`(即`*a`)等同于`a[0]`。
由于数组名与指针是等价的,所以下面的等式总是成立。
```c
a[b] == *(a + b)
```
上面代码给出了数组成员的两种访问方式,一种是使用方括号`a[b]`,另一种是使用指针`*(a + b)`。
如果指针变量`p`指向数组的一个成员,那么`p++`就相当于指向下一个成员,这种方法常用来遍历数组。
```c
int a[] = {11, 22, 33, 44, 55, 999};
int* p = a;
while (*p != 999) {
printf("%d\n", *p);
p++;
}
```
上面示例中,通过`p++`让变量`p`指向下一个成员。
注意,数组名指向的地址是不能变的,所以上例中,不能直接对`a`进行自增,即`a++`的写法是错的,必须将`a`的地址赋值给指针变量`p`,然后对`p`进行自增。
遍历数组一般都是通过数组长度的比较来实现,但也可以通过数组起始地址和结束地址的比较来实现。
```c
int sum(int* start, int* end) {
int total = 0;
while (start < end) {
total += *start;
start++;
}
return total;
}
int arr[5] = {20, 10, 5, 39, 4};
printf("%i\n", sum(arr, arr + 5));
```
上面示例中,`arr`是数组的起始地址,`arr + 5`是结束地址。只要起始地址小于结束地址,就表示还没有到达数组尾部。
反过来,通过数组的减法,可以知道两个地址之间有多少个数组成员,请看下面的例子,自己实现一个计算数组长度的函数。
```c
int arr[5] = {20, 10, 5, 39, 88};
int* p = arr;
while (*p != 88)
p++;
printf("%i\n", p - arr); // 4
```
上面示例中,将某个数组成员的地址,减去数组起始地址,就可以知道,当前成员与起始地址之间有多少个成员。
对于多维数组,数组指针的加减法对于不同维度,含义是不一样的。
```c
int arr[4][2];
// 指针指向 arr[1]
arr + 1;
// 指针指向 arr[0][1]
arr[0] + 1
```
上面示例中,`arr`是一个二维数组,`arr + 1`是将指针移动到第一维数组的下一个成员,即`arr[1]`。由于每个第一维的成员,本身都包含另一个数组,即`arr[0]`是一个指向第二维数组的指针,所以`arr[0] + 1`的含义是将指针移动到第二维数组的下一个成员,即`arr[0][1]`。
同一个数组的两个成员的指针相减时,返回它们之间的距离。
```c
int* p = &a[5];
int* q = &a[1];
printf("%d\n", p - q); // 4
printf("%d\n", q - p); // -4
```
上面示例中,变量`p`和`q`分别是数组5号位置和1号位置的指针它们相减等于4或-4。
## 数组的复制
由于数组名是指针,所以复制数组不能简单地复制数组名。
```c
int* a;
int b[3] = {1, 2, 3};
a = b;
```
上面的写法,结果不是将数组`b`复制给数组`a`,而是让`a`和`b`指向同一个数组。
复制数组最简单的方法,还是使用循环,将数组元素逐个进行复制。
```c
for (i = 0; i < N; i++)
a[i] = b[i];
```
上面示例中,通过将数组`b`的成员逐个复制给数组`a`,从而实现数组的赋值。
另一种方法是使用`memcpy()`函数(定义在头文件`string.h`),直接把数组所在的那一段内存,再复制一份。
```c
memcpy(a, b, sizeof(b));
```
上面示例中,将数组`b`所在的那段内存,复制给数组`a`。这种方法要比循环复制数组成员要快。
## 作为函数的参数
### 声明参数数组
数组作为函数的参数,一般会同时传入数组名和数组长度。
```c
int sum_array(int a[], int n) {
// ...
}
int a[] = {3, 5, 7, 3};
int sum = sum_array(a, 4);
```
上面示例中,函数`sum_array()`的第一个参数是数组本身,也就是数组名,第二个参数是数组长度。
由于数组名就是一个指针,如果只传数组名,那么函数只知道数组开始的地址,不知道结束的地址,所以才需要把数组长度也一起传入。
如果函数的参数是多维数组,那么除了第一维的长度可以当作参数传入函数,其他维的长度需要写入函数的定义。
```c
int sum_array(int a[][4], int n) {
// ...
}
int a[2][4] = {
{1, 2, 3, 4},
{8, 9, 10, 11}
};
int sum = sum_array(a, 2);
```
上面示例中,函数`sum_array()`的参数是一个二维数组。第一个参数是数组本身(`a[][4]`),这时可以不写第一维的长度,因为它作为第二个参数,会传入函数,但是一定要写第二维的长度`4`。
这是因为函数内部拿到的,只是数组的起始地址`a`,以及第一维的成员数量`2`。如果要正确计算数组的结束地址,还必须知道第一维每个成员的字节长度。写成`int a[][4]`编译器就知道了第一维每个成员本身也是一个数组里面包含了4个整数所以每个成员的字节长度就是`4 * sizeof(int)`。
### 变长数组作为参数
变长数组作为函数参数时,写法略有不同。
```c
int sum_array(int n, int a[n]) {
// ...
}
int a[] = {3, 5, 7, 3};
int sum = sum_array(4, a);
```
上面示例中,数组`a[n]`是一个变长数组,它的长度取决于变量`n`的值,只有运行时才能知道。所以,变量`n`作为参数时,顺序一定要在变长数组前面,这样运行时才能确定数组`a[n]`的长度,否则就会报错。
因为函数原型可以省略参数名,所以变长数组的原型中,可以使用`*`代替变量名,也可以省略变量名。
```c
int sum_array(int, int [*]);
int sum_array(int, int []);
```
上面两种变长函数的原型写法,都是合法的。
变长数组作为函数参数有一个好处,就是多维数组的参数声明,可以把后面的维度省掉了。
```c
// 原来的写法
int sum_array(int a[][4], int n);
// 变长数组的写法
int sum_array(int n, int m, int a[n][m]);
```
上面示例中,函数`sum_array()`的参数是一个多维数组,按照原来的写法,一定要声明第二维的长度。但是使用变长数组的写法,就不用声明第二维长度了,因为它可以作为参数传入函数。
### 数组字面量作为参数
C 语言允许将数组字面量作为参数,传入函数。
```c
// 数组变量作为参数
int a[] = {2, 3, 4, 5};
int sum = sum_array(a, 4);
// 数组字面量作为参数
int sum = sum_array((int []){2, 3, 4, 5}, 4);
```
上面示例中,两种写法是等价的。第二种写法省掉了数组变量的声明,直接将数组字面量传入函数。`{2, 3, 4, 5}`是数组值的字面量,`(int [])`类似于强制的类型转换,告诉编译器怎么理解这组值。