C语言数组全面解析：从初学到精通

1. 前言

大家好，我是努力学习游泳的鱼。今天我们来学习数组。

数组分为一维数组和二维数组，我们需要学习它们如何创建和初始化，如何使用，如何在内存中存储。话不多说，让我们开始对数组的学习吧。

2. 一维数组的创建和初始化

数组是一组相同类型元素的集合。

一维数组的创建格式如下：
数组的元素类型 数组名[常量表达式];
int arr[100]; // 表示数组能存放100个int类型的数据
我们使用大括号来初始化数组。
完全初始化：对数组的所有元素都进行初始化。大括号里初始化的元素个数和数组最多存放的元素个数相同。
int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}; // 完全初始化：数组最多存放10个元素，大括号内初始化了10个元素
不完全初始化：只初始化数组的部分元素，剩下的被初始化成0。
int arr[100] = {0}; // 不完全初始化：第一个元素被手动初始化成0，剩下的元素默认被初始化为0
如果对数组初始化，数组大小可以省略，默认为初始化元素的个数。如下面两种写法效果是相同的。

int arr[5] = {1,2,3,4,5};
int arr[] = {1,2,3,4,5}; // 省略数组大小，默认是5

如果创建数组时不初始化，则数组大小不能省略，此时分为两种情况：

1. 局部数组里存放的都是随机值。
2. 全局数组会被默认初始化为0。

int arr1[10]; // 默认初始化为0int main()
{int arr2[10]; // 存储的是随机值return 0;
}

对于一个变量，这两种情况也成立。

1. 当一个局部变量不初始化时，存储的是随机值。
2. 当一个全局变量或静态变量不手动初始化时，会被默认初始化成0。

int a; // 默认初始化为0int main()
{static int b; // 默认初始化为0int c; // 存储的是随机值return 0;
}

本质上，这是存储位置的差异导致的。局部变量是存储在栈区的，栈区上的数据如果不初始化，存储的是随机值。全局变量和静态变量是存储在静态区的，静态区上的数据如果不手动初始化，会被默认初始化为0。

C99中引入了变长数组的概念，允许数组的大小用变量来指定，如果编译器不支持C99中的变长数组，那就不能使用。

int n = 10;
int arr[n]; // 变长数组

变长数组不能初始化。

int n = 10;
int arr[n] = {0}; // 不能像这样初始化

3. 一维数组的使用

数组通过下标来访问，数组的下标是从0开始的。
[]是下标引用操作符。

比如，int arr[] = {10,20,30,40,50};,10的下标是0，20的下标是1，30的下标是2，40的下标是3，50的下标是4。
那么，arr[3]对应的就是40，如果我们想把40改成400，就这么写：arr[3] = 400;
我们如何计算数组的元素个数呢？很简单，用数组的总大小除以数组一个元素的大小就行了。比如对于arr数组，数组元素个数sz就可以这么算：int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
假设我们想存储1~100的整数并打印出来，就可以这么写：

#include <stdio.h>int main()
{int arr[100] = { 0 };int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);int i = 0;for (; i < sz; ++i){arr[i] = i + 1;}for (i = 0; i < sz; ++i){printf("%d ", arr[i]);}return 0;
}

4. 一维数组在内存中的存储

一维数组在内存中是连续存放的。
随着数组下标的增长，地址是由低到高变化的。

我们可以写个程序来验证。

#include <stdio.h>int main()
{int arr[10] = { 0 };int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);int i = 0;for (; i < sz; ++i){printf("&arr[%d] = %p\n", i, &arr[i]);}return 0;
}

我们把数组元素的地址按照下标从低到高打印出来。

我们发现，相邻两个元素之间的地址都差4，这是因为数组在内存中是连续存放的，相邻元素的地址就差一个int，即4个字节。
并且，随着下标的增长，地址是由低到高变化的。

5. 二维数组的创建和初始化

如我们想要创建一个三行五列的二维整型数组，就可以这么写：int arr[3][5];这个数组有三行五列，共15个元素，每个元素是int类型的。
int int int int int
int int int int int
int int int int int
对二维数组进行初始化要使用大括号，初始化时会一行一行放，一行放满后才会放下一行。若是不完全初始化，剩余元素会被默认初始化成0。
如：int arr[3][5] = { 1,2,3,4,5,6 };的效果是：
1 2 3 4 5
6 0 0 0 0
0 0 0 0 0
由于二维数组的每一行都可以看作一个一维数组，如果要对每一行分别初始化，可以在大括号里使用大括号。
这么说有点抽象，举个例子：int arr[3][5] = { {1,2}, {3,4}, {5,6} };的效果是：
1 2 0 0 0
3 4 0 0 0
5 6 0 0 0
如果对二维数组初始化，二维数组的行可以省略，但是列不能省略。如果省略二维数组的行，编译器会根据初始化的内容来确定有几行。
如：int arr[][5] = {1,2,3,4,5,6};的效果是：
1 2 3 4 5
6 0 0 0 0
由于两行就够放了，编译器会默认行数为2。
再比如：int arr[][5] = { {1,2}, {3,4}, {5,6} };的效果是：
1 2 0 0 0
3 4 0 0 0
5 6 0 0 0
由于3行就够放了，编译器会默认行数为3。
如果我们想给数组的所有元素都初始化成0，就可以这么写：
int arr[3][5] = {0};数组的第一个元素被初始化成0，剩下的元素会被默认初始化成0，效果是，数组的全部元素都被初始化成0。
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0

6. 二维数组的使用

二维数组也是用下标来访问的。和一维数组的区别是，二维数组有两个下标，行标和列标。行标和列标都是从0开始的。比如说，一个3行5列的数组arr，每个位置的元素的访问方式如下：
arr[0][0] arr[0][1] arr[0][2] arr[0][3] arr[0][4]
arr[1][0] arr[1][1] arr[1][2] arr[1][3] arr[1][4]
arr[2][0] arr[2][1] arr[2][2] arr[2][3] arr[2][4]
如果我们想把这些元素打印出来，可以用一层循环产生行标，另一层循环产生列标。每行打印完后，记得换个行。

#include <stdio.h>int main()
{int arr[3][5] = { {1,2,3,4,5}, {2,3,4,5,6}, {3,4,5,6,7} };int i = 0;for (; i < 3; ++i){int j = 0;for (; j < 5; ++j){printf("%d ", arr[i][j]);}printf("\n");}return 0;
}

当然，二维数组有几行几列也是可以通过代码计算出来的。
计算行数的方法：sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);即数组的总大小除以数组第一行元素的大小。
计算列数的方法：sizeof(arr[0]) / sizeof(arr[0][0]);即数组第一行元素的大小除以数组第一行第一列的元素的大小。
上面的代码就可这样改进：

#include <stdio.h>int main()
{int arr[3][5] = { {1,2,3,4,5}, {2,3,4,5,6}, {3,4,5,6,7} };int i = 0;for (; i < sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); ++i){int j = 0;for (; j < sizeof(arr[0]) / sizeof(arr[0][0]); ++j){printf("%d ", arr[i][j]);}printf("\n");}return 0;
}

7. 二维数组在内存中的存储

我们用下面的程序把二维数组每个元素的地址打印出来。

#include <stdio.h>int main()
{int arr[3][5] = { 0 };int i = 0;for (; i < sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); ++i){int j = 0;for (; j < sizeof(arr[0]) / sizeof(arr[0][0]); ++j){printf("&arr[%d][%d] = %p\n", i, j, &arr[i][j]);}}return 0;
}

我们发现，每两个元素之间都差4个字节，每当发生换行，如第一行最后一个元素arr[0][4]到第二行第一个元素arr[1][0]也差4个字节。arr是一个整型数组，每两个元素之间差1个int类型的大小。这说明：

二维数组在内存中也是连续存放的。
随着下标的增长，地址也是由低到高变化的。

除此之外，我们还可以把二维数组的每个元素理解成一维数组。如：对于三行五列的二维数组arr，arr[0]就是这个二维数组的第一个元素，同时arr[0]也是一个有五个元素的一维数组，这五个元素分别是arr[0][0]，arr[0][1]，arr[0][2]，arr[0][3]，arr[0][4]。

8. 数组越界

数组的下标是有范围限制的。
数组的下标规定是从0开始的，如果数组有n个元素，最后一个元素的下标就是n-1。
所以数组的下标如果小于0，或者大于n-1，就是数组越界访问了，超出了数组合法空间的访问。
C语言本身是不做数组下标的越界检查，编译器也不一定报错，但是编译器不报错，并不意味着程序就是正确的，所以程序员写代码时，最好自己做越界的检查。
如下面的程序，当i为10时就越界了。

int main()
{int arr[10] = {0};int i = 0;for (; i<=10; ++i){arr[i] = i;}return 0;
}

二维数组的行和列也可能存在越界。

9. 数组作为函数参数

数组名表示什么？看看下面的代码：

#include <stdio.h>int main()
{int arr[10] = { 0 };printf("arr = %p\n", arr);printf("arr + 1 = %p\n", arr + 1);printf("&arr[0] = %p\n", &arr[0]);printf("&arr[0] + 1 = %p\n", &arr[0] + 1);printf("&arr = %p\n", &arr);printf("&arr + 1 = %p\n", &arr + 1);printf("sizeof(arr) = %d\n", sizeof(arr));return 0;
}

运行结果：

由运行结果可知，数组名(arr)和数组首元素地址(&arr[0])是完全相同的，且+1之后也是完全相同的，都跳过了4个字节(1个int)。数组的地址(&arr)和前两者值是相同的，但+1之后跳过了40个字节(即跳过了整个数组)，这是因为，如果写arr或&arr[0]都表示首元素地址，即第一个整型元素的地址，+1会跳过一个整型；如果写&arr，取出的是整个数组的地址，+1自然也跳过了整个数组。注意：以上所有计算都是十六进制的计算，如所谓的跳过40个字节其实是+0x28，再转换成十进制后得到的40。
并且，sizeof(arr)计算的是整个数组的大小，即40。

数组名一般表示数组首元素的地址。但是有两个例外：

1. sizeof(数组名)，数组名不是数组首元素的地址，数组名表示整个数组，计算的是整个数组的大小。
2. &数组名，数组名不是数组首元素的地址，数组名表示整个数组，取出的是整个数组的地址。

题目：写一个函数，对一个整型数组进行冒泡排序。

冒泡排序：对数组中2个相邻的元素进行比较，如果不满足就交换。

比如，一个数组里存放的是
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
我想把它排成升序，也就是左边的数要比右边的数小。
首先比较9和8，因为9比8大，不满足升序，就交换。
8 9 7 6 5 4 3 2 1 0
接着比较9和7，因为9比7大，不满足升序，就交换。
8 7 9 6 5 4 3 2 1 0
接着比较9和6，因为9比6大，不满足升序，就交换。
8 7 6 9 5 4 3 2 1 0
……
这一趟冒泡排序下来，数组就排序成
8 7 6 5 4 3 2 1 0 9
9的位置就正确了。接下来进行下一趟冒泡排序。由于9的位置处在正确的位置上，下一趟冒泡排序就不需要考虑9了，只需排序除了9之外的数字。
首先比较8和7，因为8比7大，不满足升序，就交换。
7 8 6 5 4 3 2 1 0 9
接着比较8和6，因为8比6大，不满足升序，就交换。
7 6 8 5 4 3 2 1 0 9
……
这一趟冒泡排序下来，数组就排序成
7 6 5 4 3 2 1 0 8 9
8的位置就正确了。
有没有发现，一趟冒泡排序，可以使一个数字的位置正确。那么，假设有10个数字，总共需要几趟冒泡排序呢？答案：10个数字需要9趟冒泡排序。因为一趟冒泡排序搞定一个数字，9趟冒泡排序就搞定9个数字，最后一个数字的位置自然也是正确的。
那么一趟内部又需要多少次比较呢？假设有10个数字，第一趟就需要比较9次，第一趟结束后就搞定了其中一个数字，只需排序剩下9个数字，所以第二趟需要比较8次。由于每趟排序都能够搞定一个数字，每趟排序都会比上一趟少一次比较，这样就知道每一趟需要几次比较了。
有了以上的分析，我们需要写两层循环。外层循环负责控制冒泡排序的趟数，假设数组有sz个元素，就需要排序sz-1趟；内层循环控制一趟内部冒泡排序的比较，第一趟需要sz-1次比较，第二趟需要sz-2次比较，后面每趟都比前一趟少一次比较，如果外层循环的循环变量（假设是i）是从0开始的，那第i趟就需要sz-1-i次比较。
如果一趟比较完后没有发生交换，则数组就已经有序了，就不需要继续排序了。我们可以定义一个flag并初始化为1，假设数组已经有序。如果发生交换，则把flag改成0。如果一趟冒泡排序中没有发生交换，则flag仍然是1，就已经有序了，不需要继续排序了。
数组元素个数怎么知道呢？一定要在数组创建的局部范围内计算数组的元素个数int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);因为如果传参给别的函数后，我们使用数组名传参，由前面的知识可知，数组名表示数组首元素的地址，传递过去的是一个指针，所以sizeof(arr)就是4或者8，sizeof(arr) / sizeof(arr[0])这个表达式是无法计算出数组元素个数的。

#include <stdio.h>void bubble_sort(int arr[], int sz)
{int i = 0;for (; i < sz - 1; ++i){// 一趟冒泡排序int flag = 1; // 假设已经有序int j = 0;for (; j < sz - 1 - i; ++j){if (arr[j] > arr[j + 1]){flag = 0;// 交换int tmp = arr[j];arr[j] = arr[j + 1];arr[j + 1] = tmp;}}if (1 == flag)return;}
}int main()
{int arr[] = { 9,8,7,6,5,4,3,2,1,0 };int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);// 冒泡排序bubble_sort(arr, sz);int i = 0;for (; i < sz; ++i){printf("%d ", arr[i]);}return 0;
}

当然，就一种情况是无法代表所有场景的。我写了个测试代码，在不同场景下测试这个冒泡排序是否正确，供大家参考。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>int test_bubble_sort()
{srand((unsigned int)time(NULL));const int sz = 100; // 数组元素个数int* arr = (int*)malloc(sz * sizeof(int));if (NULL == arr){perror("test_bubblesort::malloc");return 0;}int i = 0;for (; i < 1000; ++i){// 生成随机数组int j = 0;for (; j < sz; ++j){arr[j] = rand();}// 冒泡排序bubble_sort(arr, sz);// 检验排序是否成功for (j = 0; j < sz - 1; ++j){if (arr[j] > arr[j + 1]){free(arr);return 0; // 排序失败}}}free(arr);return 1; // 检验成功
}int main()
{int ret = test_bubble_sort();if (1 == ret)printf("检验成功\n");elseprintf("检验失败\n");return 0;
}

10. 综合练习

10.1 用函数初始化，逆置，打印整型数组

初始化和打印应该相当简单了吧，只需要产生所有的下标，遍历数组，就能够访问整个数组并初始化或打印了。唯一需要注意的是，整型数组无法在函数内部使用sizeof(arr) / sizeof(arr[0])计算元素个数，因为数组作为函数参数传递时，传递的是首元素的地址。
初始化函数（假设初始化为全0）：

void init(int arr[], int sz)
{int i = 0;for (; i < sz; ++i){arr[i] = 0;}
}

打印函数：

#include <stdio.h>void print(int arr[], int sz)
{int i = 0;for (; i < sz; ++i){printf("%d ", arr[i]);}printf("\n");
}

接下来讲讲如何逆置。类似字符串的逆置，整型数组的逆置只需交换第一个元素和最后一个元素，再交换第二个元素和倒数第二个元素，接着交换第三个元素和倒数第三个元素……
如果用下标来访问数组，我们需要一个左下标left指向第一个元素，一个右下标right指向最后一个元素，交换后，left向后走，right向前走，当left还在right左边时，说明还有元素可以交换，否则就跳出循环。

void reverse(int arr[], int sz)
{int left = 0;int right = sz - 1;while (left < right){int tmp = arr[left];arr[left] = arr[right];arr[right] = tmp;++left;--right;}
}

10.2 交换两个整型数组

如何交换两个整型数组arr1和arr2（假设两个数组一样大）呢？
很简单，只需要遍历两个数组，把对应位置的元素交换就行了！

#include <stdio.h>int main()
{int arr1[] = { 1,3,5,7,9 };int arr2[] = { 2,4,6,8,0 };int i = 0;int sz = sizeof(arr1) / sizeof(arr1[0]);printf("交换前:\n");printf("arr1: ");for (i = 0; i < sz; ++i){printf("%d ", arr1[i]);}printf("\narr2: ");for (i = 0; i < sz; ++i){printf("%d ", arr2[i]);}printf("\n");// 交换arr1和arr2for (i = 0; i < sz; ++i){int tmp = arr1[i];arr1[i] = arr2[i];arr2[i] = tmp;}printf("交换后:\n");printf("arr1: ");for (i = 0; i < sz; ++i){printf("%d ", arr1[i]);}printf("\narr2: ");for (i = 0; i < sz; ++i){printf("%d ", arr2[i]);}printf("\n");return 0;
}

10.3 三子棋

我们可以用已有的知识，实现一个三子棋小游戏。详细讲解戳这里

10.4 扫雷

再来实现一个扫雷小游戏。详细讲解戳这里