第三十二天：数组

C++ 数组

一、数组基础概念

1. 定义：
   • 数组是一种在 C++ 中用于存储多个相同类型数据元素的数据结构，这些元素在内存中连续存储。
   • 语法：数据类型 数组名[数组大小]; 例如：int numbers[5]; 这里定义了一个名为 numbers 的数组，它可以存储 5 个 int 类型的数据。
2. 数组的特点：
   • 类型一致性：数组中所有元素的数据类型必须相同。这确保了在内存中每个元素占用相同大小的空间，方便系统进行管理和访问。
   • 内存连续性：数组元素在内存中是按顺序连续存储的。这使得通过索引访问元素时效率很高，因为可以根据数组起始地址和元素偏移量快速定位到目标元素。

二、数组的初始化

1. 静态初始化：
   • 完全初始化：在定义数组时，直接为每个元素指定初始值。例如：int numbers[5] = {1, 2, 3, 4, 5}; 这里将数组 numbers 的 5 个元素依次初始化为 1、2、3、4、5。
   • 部分初始化：当初始化列表中的值少于数组元素个数时，剩余元素会根据其数据类型进行默认初始化。对于数值类型（如 int、float 等），剩余元素会初始化为 0；对于字符类型（char），会初始化为空字符 '\0'。例如：int numbers[5] = {1, 2}; 此时 numbers[0] = 1，numbers[1] = 2，numbers[2] = 0，numbers[3] = 0，numbers[4] = 0。
2. 动态初始化（C++11 及以后）：
   • 使用花括号进行初始化，编译器可以根据初始化列表的元素个数自动推断数组大小。例如：int numbers[]{1, 2, 3, 4, 5}; 编译器会自动确定 numbers 数组的大小为 5。
   • 这种方式更加灵活，也有助于减少一些潜在的错误，比如数组大小与初始化列表元素个数不匹配的问题。

三、数组元素的访问

1. 索引（下标）：
   • 数组元素通过索引（也称为下标）来访问，索引从 0 开始计数。对于一个具有 n 个元素的数组，其有效索引范围是从 0 到 n - 1。例如，对于数组 int numbers[5];，可以通过 numbers[0] 访问第一个元素，numbers[4] 访问第五个元素。
   • 访问数组元素的语法：数组名[索引]; 例如：int firstNumber = numbers[0]; 这里将 numbers 数组的第一个元素赋值给 firstNumber 变量。
2. 越界访问：
   • 访问数组元素时，必须确保索引在有效范围内。如果访问的索引小于 0 或者大于等于数组大小，就会发生越界访问。例如，对于 int numbers[5];，访问 numbers[5] 就是越界访问。
   • 越界访问会导致未定义行为，这意味着程序的行为是不确定的。可能会导致程序崩溃、数据损坏或产生看似随机的结果。因此，在编写代码时，一定要仔细检查索引值，避免越界访问。

四、数组的常见操作

1. 遍历数组：
   • 使用 for 循环：这是最常见的遍历数组的方式。例如：

int numbers[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
for (int i = 0; i < 5; i++) {std::cout << numbers[i] << " ";
}

在这个例子中，for 循环从 i = 0 开始，每次循环 i 自增 1，直到 i 达到数组大小 5 时停止。在每次循环中，输出数组元素 numbers[i]。

• 使用 while 循环：同样可以实现数组的遍历。例如：

int numbers[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int i = 0;
while (i < 5) {std::cout << numbers[i] << " ";i++;
}

这里通过 while 循环，在 i 小于 5 的条件下，不断输出数组元素并将 i 自增 1。
2. 修改数组元素：

• 可以通过索引直接修改数组元素的值。例如：int numbers[5] = {1, 2, 3, 4, 5}; numbers[2] = 10; 此时，数组 numbers 的第三个元素（索引为 2）的值从 3 被修改为 10。

3. 查找数组元素：
   • 可以通过遍历数组，将每个元素与目标值进行比较，来查找数组中是否存在特定元素。例如，查找数组 numbers 中是否存在值为 3 的元素：

int numbers[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
bool found = false;
for (int i = 0; i < 5; i++) {if (numbers[i] == 3) {found = true;break;}
}
if (found) {std::cout << "元素 3 存在于数组中。" << std::endl;
} else {std::cout << "元素 3 不存在于数组中。" << std::endl;
}

4. 数组排序：
   • 常见的排序算法如冒泡排序、选择排序、插入排序等都可以用于对数组进行排序。以冒泡排序为例：

int numbers[5] = {5, 4, 3, 2, 1};
for (int i = 0; i < 5 - 1; i++) {for (int j = 0; j < 5 - i - 1; j++) {if (numbers[j] > numbers[j + 1]) {int temp = numbers[j];numbers[j] = numbers[j + 1];numbers[j + 1] = temp;}}
}
for (int i = 0; i < 5; i++) {std::cout << numbers[i] << " ";
}

冒泡排序通过多次比较相邻元素并交换位置，将最大（或最小）的元素逐步“冒泡”到数组末尾。

五、多维数组

1. 二维数组：
   • 定义：二维数组可以看作是数组的数组，常用于表示具有行和列结构的数据，如矩阵。语法：数据类型 数组名[行数][列数]; 例如：int matrix[3][4]; 定义了一个 3 行 4 列的二维整数数组。
   • 初始化：
     • 逐行初始化：int matrix[3][4] = {{1, 2, 3, 4}, {5, 6, 7, 8}, {9, 10, 11, 12}}; 这种方式将二维数组按行进行初始化。
     • 按顺序初始化：int matrix[3][4] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12}; 这种方式按顺序为二维数组的元素赋值，编译器会按行填充元素。
   • 访问元素：通过两个索引来访问二维数组的元素，第一个索引表示行，第二个索引表示列。例如：int element = matrix[1][2]; 这里获取了 matrix 数组第二行第三列的元素（值为 7）。
2. 多维数组的拓展：
   • 除了二维数组，还可以定义三维、四维等多维数组。例如，三维数组可以用于表示立体空间中的数据。定义三维数组的语法：数据类型 数组名[第一维大小][第二维大小][第三维大小]; 例如：int cube[2][3][4]; 表示一个具有 2 层、每层 3 行、每行 4 列的三维数组。

六、数组与函数

1. 数组作为函数参数：
   • 当数组作为函数参数传递时，数组会自动退化为指针。函数定义的语法：返回类型 函数名(数据类型 数组名[], 数组大小参数); 例如：

void printArray(int arr[], int size) {for (int i = 0; i < size; i++) {std::cout << arr[i] << " ";}
}

在调用函数时，可以将数组名作为参数传递，同时传递数组的大小。例如：int numbers[5] = {1, 2, 3, 4, 5}; printArray(numbers, 5);
2. 返回数组的函数：

• 在 C++ 中，函数不能直接返回数组，但可以返回指向数组的指针。不过，使用指针返回数组时需要注意内存管理问题，避免悬空指针等错误。一种更安全的方式是返回 std::vector（C++ 标准库中的动态数组）。例如：

#include <vector>
std::vector<int> createArray() {std::vector<int> arr = {1, 2, 3, 4, 5};return arr;
}

然后可以这样调用函数：std::vector<int> result = createArray();

七、数组的内存管理

1. 栈上的数组（自动数组）：
   • 当数组定义在函数内部时，它是在栈上分配内存的，也称为自动数组。例如：void function() { int numbers[5]; } 当函数 function 执行结束时，数组 numbers 所占用的内存会自动被释放，无需手动管理。
2. 堆上的数组（动态数组）：
   • 使用 new 关键字可以在堆上动态分配数组内存。例如：int* dynamicArray = new int[5]; 这里在堆上分配了一块可以存储 5 个 int 类型数据的内存，并将这块内存的地址赋值给指针 dynamicArray。
   • 动态分配的数组在使用完毕后，必须使用 delete[] 来释放内存，以避免内存泄漏。例如：delete[] dynamicArray; 如果不释放动态分配的数组内存，这块内存将一直占用，直到程序结束，从而导致内存泄漏问题。

八、数组的优缺点

1. 优点：
   • 高效的随机访问：由于数组元素在内存中连续存储，可以通过索引快速定位到任意元素，时间复杂度为 O(1)。这使得数组在需要频繁随机访问元素的场景下表现出色，如查找表。
   • 简单直观：数组的概念简单，易于理解和使用。在处理一些基本的数据集合时，数组是一种很自然的选择。
2. 缺点：
   • 大小固定：数组的大小在编译时就必须确定，运行时不能动态改变。这在需要动态调整数据规模的场景下会带来不便，例如在程序运行过程中需要不断添加或删除元素的情况。
   • 插入和删除操作效率低：在数组中间插入或删除元素时，需要移动大量的后续元素，时间复杂度为 O(n)，效率较低。相比之下，链表等数据结构在插入和删除操作上更具优势。

通过对 C++ 数组的详细学习，我们了解了数组的基本概念、初始化、访问、常见操作、与函数的交互以及内存管理等方面的知识。在实际编程中，应根据具体需求合理选择和使用数组，充分发挥其优势，同时注意避免其缺点带来的问题。