C语言学习笔记——数组

前言

     数组是C语言中的一种自定义数据类型，它的使用非常广泛。但是很多新手在使用数组时，经常在一些细节上出问题，导致程序崩溃或者无法编译。今天，我就来详细聊聊数组的使用和我注意到的一些细节。

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一、常见的数组类型与数组的创建

1. 常见数组类型 

       与常见指针类型类似，常见的数组类型也是与常见的数据类型一一对应的，这里简单列举几个最常用的。

int arr1[10]; //整型数组
char arr2[20];  //字符数组
double arr3[5];  //双精度浮点型数组
struct stru arr[6];  //结构体数组

2. 数组的创建 

int arr1[10];  //创建数组
int arr2[5] = {0,0,0,0,0};  //创建数组并完全初始化
int arr3[10] = {0};    //创建数组并不完全初始化
int arr4[] = {1,2,3,4,5};   //创建未给定大小的数组并初始化

       我们以整型数组为例，上方为整形数组的四种创建与初始化方式。

       首先来介绍第一行，也是最基础的数组创建方式，“数据类型 + 数组名 + [数组大小]”。其中，数组名和[ ]之间不能出现空格，数组大小只能为常量（可以为标识符常量）且只能为正整数。那么我们来解读第一行，就是一个名为“arr1”，可以存放10个整型数据的数组（数组大小为10个整型，即40个字节），该数组的数据类型为"int[10]"。

       我们可以用“sizeof()”来计算数组在内存中占用的空间大小，如下图。

       接下来看第二行，数组arr2为一个大小为5的整型数组，它的五个数据均被初始化为0。其中花括号中的第一个0即对应数组的第一个数据，称为数组的第一个元素，以此类推。

       同理，第三行的arr3数组为一个大小为10的整型数组，它的第一个元素被初始化为0，剩余的9个元素未初始化。

       第四行的arr4数组在创建时未给定大小，那么它的大小就由初始化的元素个数决定。由此得出arr4的大小为5。  

补充：变长数组 （VS编译器不支持）

       变长数组与常规数组的区别在于，常规数组在定义时，其数组大小只能为常量，而变长数组的大小可以为变量。因此，变长数组可以精准地开辟内存空间，从而避免空间浪费。

3. 字符数组的初始化

char ch1[] = {'a','b','c'};
char ch2[] = "abc";

       字符数组可以按照常规数组初始化方式进行初始化，也可以按照上图第二行的方式，直接用字符串进行初始化。那么上图中的ch1，ch2的大小分别是多少呢？显然，ch1的大小为3，那么ch2的大小也为3吗？我们来看下图。

       我们发现，数组ch2的大小为4，这又是为什么呢？我们不妨直接将这两个数组以字符串形式打印出来看看。

       可以看见，第一行出现了许多乱码，而第二行则是正常的"abc"。这是为什么呢？关于这个问题，等到介绍数组在内存中的存储方式时，我再来详细解释。

二、数组元素的访问 

       当我们创建了一个数组后，我们应该如何调用数组中的元素呢？换句话说，如何访问数组的元素呢？

1. 下标引用操作符 

//  [] -  下标引用操作符 int arr[10];
arr[0] = 1;

       数组的每个元素都有自己对应的下标，通过其下标即可访问该元素。我们可以通过下标引用操作符“[ ]”。如图，arr为一个大小为10的整型数组，当我们创建了数组之后，我们通过“数组名 + [元素下标]”，访问了arr数组中下标为0的元素，并将其赋值为1。

       注意，上方代码中创建数组和访问数组元素均使用了“[ ]”，但这两个“[ ]”的含义不同，第一行的“[ ]”代表arr为一个"int[10]"类型的数组，而第二行的“[ ]”则是下标引用操作符，用来访问数组元素。

       数组中第n个元素的下标为n-1，例如，第一个元素的下标为0。

2. 指针访问

int arr[10];
*(arr+1) = 2;  //等价于： arr[1] = 2;

       本质上，数组名就是指向数组起始地址的指针。由于数组arr为整型数组，故访问数组元素时，其数组名本质上为" int* "类型的指针，可通过指针的解引用操作符访问其指向的元素。图中“arr+1”即指针向后偏移一位，指向了数组中的第二个元素，因此等价于访问数组第二个元素。

int arr[10];
int* p = arr;
*(p+1) = 2;

       同样地，我们也可以用其它指针储存arr所指向的地址，并通过该指针访问数组元素，如图中的指针p。 

三、数组在内存中的存储 

       相信通过上面的访问方式，聪明的你一定已经猜到数组在内存中的存储形式了。数组在内存上占用一块连续的空间。我们通过VS的调试器来观察数组在内存中的存储，如下图。每个整型数据占用四个字节的空间，故地址每隔四存放一个数据。

        而数组名arr即是首元素的地址，我们可以通过打印地址来查看。这也就解释了为什么数组元素可以通过指针的方式来访问。

 

        接下来我们来解决之前字符数组留下来的问题。

       通过监视窗口，我们可以看到，ch1中只有三个元素，相比之下，ch2多出了第四个元素'\0'。'\0'是一个字符，用来终止字符串。

       由于ch2中存在'\0'，打印ch2时才不会出现后面的随机值。而ch1中没有'\0'，因此当ch1的元素全部打印完后，编译器会继续打印数组外的内容，由于未被赋值，这些内容通常为随机值，因此一直打印到遇到随机的'\0'，打印才结束。

       使用双引号" "引用的字符串的末尾都会自带一个'\0'，这就是为什么用"abc"初始化ch2后会多出一个'\0'。 

四、二维数组

1. 二维数组的创建

int arr1[3][3] = {0};
int arr2[][3] = {0};

       二维数组有以上两种创建方式，其中前后两个“[ ]”中的数字我们分别称为行数和列数。二维数组的大小等于行数乘以列数。

       在第一行中，我们给定了数组arr1的行数和列数，均为3，因此arr1的大小为9，即可容纳九个元素。同样，如果行数和列数都给定了，就可以选择不初始化。

       在第二行中，我们给定了数组arr2的列数，但没有给定行数，这样一来数组的大小就根据初始化的值来确定了，如图中将第一个元素初始化为0，那么为了存储元素0，数组必须开辟一行的空间，由于一行有三列，因此数组arr2的大小为3。从中我们可以看出，为给定行数的二维数组的大小是由列数和初始化元素个数决定的。其大小必须为列数的整数倍，并且必须大于元素个数。

2. 二维数组元素的访问 

int arr[3][3];
arr[0][0]=1;

       二维数组的元素也是通过下标来访问的，只不过由于二维数组有行和列，因此下标也分为行标和列标。同样的，行标和列标也都是从0开始，如图中arr[0][0]即是访问第一行第一列的元素。

       关于二维数组的指针访问，本文就不过多解释了，因为相对来说比较复杂，涉及到二维数组的原理。有兴趣的小伙伴可以自行推导。（提示：要用到二级指针）

3. 二维数组在内存中的存储 

       在我们理解二维数组时，我们把二维数组分成行和列，如上图。我们知道，一维数组在内存中是占用一块连续的空间。那么二维数组在内存中又是如何存储的呢？我们再次通过VS的内存窗口观察二维数组arr在内存中的存储情况。我们发现，二维数组在内存中也是连续存储的，并不是像我们理解的那样分为行和列来存储。

五、数组问题中一些常见的错误和技巧

1. 越界访问

int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
int a = arr[10];

       我们来看上面这段代码。首先创建一个大小为10的整型数组并完全初始化，然后创建一个整型变量a，并初始化为arr数组中下标为10的元素。但是数组arr的大小为10，那么它最大的下标应该为9，也就是说不存在下标为10的元素。这就是所谓的越界访问。

       由于数组创建时只开辟了10个整型大小的合法空间，而上方代码访问了第11个整型的空间，因此形成非法访问。

2. 初始化与修改数组元素

//错误示范
int arr[] = {1,2,3,4,5};
arr = {1,2,3,0,0};
char ch[] = "hello";
ch = "world";//正确做法
int arr[] = {1,2,3,4,5};
arr[3] = 0;
arr[4] = 0; 
char ch[] = "hello";
ch = strcpy(ch,"world");

       在讲数组的初始化时，我提到可以使用花括号和字符串进行初始化。但是要注意，当数组创建完毕并初始化后，就不能再使用花括号或字符串来修改数组了。如果数组创建完成后需要修改数组元素，则需通过下标访问需要修改的元素进行修改，若需要整体修改则可借助循环遍历数组。

3. 数组传参 

void test(int* arr)
{arr[0] = arr[1];
}int main()
{int arr[3] = {0,1,2};test(arr);return 0;
}

       之前介绍访问数组的方法时就提到，数组名其实就是指向数组首地址的指针，也就是说，数组传参其实也就等价于指针传参。在声明函数的参数时，若需接受数组，只需要声明一个同类型的指针变量即可。

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结束语 

       以上就是我对数组的一些基础知识的总结啦。关于数组，我个人还是更喜欢将其理解为指针的一种变体，因为C语言中，指针可以说与内存息息相关，而数组则是通过一个指针(数组名)来管理该数组空间内的所有数据。不知道大家都是如何理解的呢？欢迎在评论区留言。