C 语言编程 — 高级数据类型 — 数组

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《C 语言编程 — 基本语法》
《C 语言编程 — 基本数据类型》
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《C 语言编程 — 运算符》
《C 语言编程 — 逻辑控制语句》
《C 语言编程 — 函数》
《C 语言编程 — 高级数据类型 — 指针》

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数组

数组是具有相同数据类型，并且按照一定顺序排列的一组变量的集合。

数组都是由连续的内存空间组成的，最低的地址对应第一个元素，最高的地址对应最后一个元素。数组中的特定元素可以通过索引访问，数组的索引从 0 开始。

特征：

• 有序性：数组元素之间具有固定的先后顺序
• 可索引：通过数组名和下标可以唯一地确定数组中的元素

声明数组

在 C 中要声明一个数组，需要指定元素的类型和元素的数量。

• 其中元素的数量为不可变量，C/C++ 不允许对数组的长度做动态定义。
• 数组名除了作为数组辨识名称之外，也表示了该数组存储空间的首地址，即数组名本身就是数组的内存入口地址，指向第一个元素。
• 一次只能使用数组中的单个元素，而不能一次使用整个数组。

// 正确用法：一次只能使用数组中的单个元素。
// 将 aArray 的数据复制到 bArray 中。
int aArray[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int bArray[5] = {0};
for(int i = 0; i < 5; i++)
{
   bArray[i] = aArray[i];
}

// 错误用法：
int aArray[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int bArray[5] = {0};
bArray = aArray;    //不可给整个数组赋值

需要注意的是，使用数组时，需要主动的对数组变量进行边界检查。C/C++ 在编译过程并没有缺省的边界检查动作，所以在程序运行过程中当数组下标索引值越界时，并不会立即触发错误，存在潜在的逻辑异常风险。

#include <stdio.h>
// 如下例所示，aArray[i*j] 在程序进行过程中，下标会超出其数组大小。
// 但是在编译和运行过程中，并不会报错，因此必须由编程人员对此边界进行处理！
int main(void)
{
   int i, j;
   int aArray[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
   for (i = 0; i < 5; i++)
   {
       for (j = 0; j < 5; j++)
       {
           aArray[i * 5 + j] = i * 5 + j;
           printf("aArray[%d]=%d\r\n", i * 5 + j, aArray[i * 5 + j]);
       }
   }
   return 0;
}

/*
[root@c-dev ~]# ./main
aArray[0]=0
aArray[1]=1
aArray[2]=2
aArray[3]=3
aArray[4]=4
aArray[5]=5
aArray[11]=32718
aArray[10]=10
aArray[11]=11
aArray[12]=12
aArray[13]=13
aArray[14]=14
aArray[15]=15
aArray[16]=16
aArray[17]=17
aArray[18]=18
aArray[19]=19
aArray[20]=20
aArray[21]=21
aArray[22]=22
aArray[23]=23
aArray[24]=24
段错误
*/


// 上错误示例可改为：
// 当然像示例中的简单数组越界在编程过程中是十分容易避免的，但对于复杂度高的问题，必须是要增加边界检查的。
int main(void)
{
   int i, j, idx;
   int aArray[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
   for (i = 0; i < 5; i++)
   {
       for (j = 0; j < 5; j++)
       {
           idx = i * 5 + j;
           if (idx > sizeof(aArray) / sizeof(int))
           {
               printf("Err: idx over range!\r\nMax idx = %lu,idx=%d\r\n", sizeof(aArray) / sizeof(int), idx);
               return 0;
           }
           aArray[idx] = idx;
           printf("aArray[%d]=%d\r\n", idx , aArray[idx]);
       }
   }
   return 0;
}

/*
[root@c-dev ~]# ./main
aArray[0]=0
aArray[1]=1
aArray[2]=2
aArray[3]=3
aArray[4]=4
aArray[5]=5
Err: idx over range!
Max idx = 5,idx=6
*/

初始化数据

• 指定数组长度的初始化：大括号 { } 之间的值的数目不能大于我们在数组声明时在方括号 [ ] 中指定的元素数目。

double balance[5] = {1000.0, 2.0, 3.4, 7.0, 50.0};

• 不指定数组长度的初始化：数组的长度则为初始化时元素的个数。

double balance[] = {1000.0, 2.0, 3.4, 7.0, 50.0};

• 对指定的元素进行赋值

balance[4] = 50.0;

访问数组元素

数组元素可以通过数组名称加索引进行访问。元素的索引是放在方括号内，跟在数组名称的后边。

将一个数组元素取出并赋值给新的变量：

double salary = balance[9];

二维数组

C 语言支持多维数组。多维数组声明的一般形式如下：

type name[size1][size2]...[sizeN];

int threedim[5][10][4];

• 二维数组
  

初始化二维数组：

int a[3][4] = {  
 {0, 1, 2, 3} ,   /*  初始化索引号为 0 的行 */
 {4, 5, 6, 7} ,   /*  初始化索引号为 1 的行 */
 {8, 9, 10, 11}   /*  初始化索引号为 2 的行 */
};

//or

int a[3][4] = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11};

访问二维数组元素：

int val = a[2][3];

指向数组的指针

数组变量名（标识符）的本质是一个指向数组中第一个元素的常量指针。

double balance[50];

如上，变量名 balance 是一个指向内存地址 &balance[0] 的指针，即数组 balance 的第一个元素的地址。使用数组名作为常量指针是合法的，反之亦然。因此，*(balance + 4) 是一种访问 balance[4] 数据的合法方式。

将数组指针作为实参传入函数

如果函数想接受一个数组（实际上是指针数组入口的指针）作为实参，那么函数必须使用以下三种方式之一来声明函数的形式参数，每种方式都是告诉编译器函数将要接收一个整型指针。同样地，也可以传递一个多维数组作为形式参数。

• 方式 1

void myFunction(int *param){}

• 方式 2

void myFunction(int param[10]){}

• 方式 3

void myFunction(int param[]){}

示例：

#include <stdio.h>

/* 声明一个函数形参为整型指针类型 */
double getAvg(int arr[], int size);


int main(){
    /* 定义并初始化一个数组变量 */
    int balance[5] = {1000, 2, 3, 17, 50};

    /* 传递一个指向数组的指针作为函数实参 */
    double avg = getAvg(balance, 5);
    printf("AVG: %f", avg);
    return 0;
}

double getAvg(int arr[], int size){
    int i;
    double avg;
    double sum = 0;

    for(i = 0; i < size; ++i){
        sum += arr[i];
    }

    avg = sum / size;
    return avg;
}

从函数返回一个数组指针

C 语言不允许函数返回一个完整的数组，但是可以返回一个指向数组的指针。注意，C 不支持在函数外部返回局部变量的地址，除非定义局部变量为 static 变量。

int * myFunction(){}

示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

/* 定义返回整型指针类型结果的函数 */
int * getRandom(){
    static int r[10];
    int i;

    srand((unsigned)time(NULL));
    for(i = 0; i < 10; ++i){
        r[i] = rand();
        printf("r[%d] = %d\n", i, r[i]);
    }
    return r;
}

int main(){
    /* 定义一个整型指针变量 */
    int *p;
    int i;

    p = getRandom();
    for(i = 0; i < 10; i++){
        printf("*(p + %d): %d\n", i, *(p + i));
    }
    return 0;
}

运行：

$ ./main
r[0] = 640773756
r[1] = 1617898688
r[2] = 2004130180
r[3] = 494154148
r[4] = 1999308605
r[5] = 959614519
r[6] = 81389324
r[7] = 1893093458
r[8] = 2121376870
r[9] = 1095386666
*(p + 0): 640773756
*(p + 1): 1617898688
*(p + 2): 2004130180
*(p + 3): 494154148
*(p + 4): 1999308605
*(p + 5): 959614519
*(p + 6): 81389324
*(p + 7): 1893093458
*(p + 8): 2121376870
*(p + 9): 1095386666

指针数组

有一种情况，我们想用数组来存储指向 int 或 char 或其他数据类型的指针。下面是一个指向整数的指针数组的声明：

int *ptr[MAX];

在这里，把 ptr 声明为一个数组，由 MAX 个整型指针组成。因此，ptr 中的每个元素，都是一个指向 int 值的指针。

#include <stdio.h>
 
const int MAX = 3;
 
int main ()
{
   int  var[] = {10, 100, 200};
   int i, *ptr[MAX];
 
   for ( i = 0; i < MAX; i++)
   {
      ptr[i] = &var[i]; /* 将 int 值的地址赋值到整型指针数组 */
   }
   for ( i = 0; i < MAX; i++)
   {
      printf("Value of var[%d] = %d\n", i, *ptr[i] );
   }
   return 0;
}

数组名和取数组首地址的区别

int array[4] = {0};

以上述语句为例，&array 取的是整个数组 array 的首地址，为数组变量明 array 则是数组首元素的内存地址，即：&array[0]。需要注意的是，&array 和 array 两者的值虽然相同，但是意义却不同。

#include <stdio.h>

int main() {
    int array[4] = {0};
    printf("        array = %p\n", array);
    printf("       &array = %p\n", &array);
    printf("    array + 1 = %p\n", array + 1);
    printf("&array[0] + 1 = %p\n", &array[0] + 1);
    printf("   &array + 1 = %p\n", &array + 1);
    printf("\n");

    printf(" sizeof(array) = %lu\n", sizeof(array));
    printf("sizeof(&array) = %lu\n", sizeof(&array));

    printf("\n");
    return 0;
}

运行：

$ ./main
        array = 0x7fffe3743ae0
       &array = 0x7fffe3743ae0
    array + 1 = 0x7fffe3743ae4
&array[0] + 1 = 0x7fffe3743ae4
   &array + 1 = 0x7fffe3743af0

 sizeof(array) = 16
sizeof(&array) = 8

结论：

1. 在 C 中， 在几乎所有使用数组的表达式中，数组名的值是个指针常量，也就是数组第一个元素的地址。 它的类型取决于数组元素的类型： 如果它们是 int 类型，那么数组名的类型就是 “指向 int 的常量指针“。
2. 在以下两中场合下，数组名并不是用指针常量来表示：1）当数组名作为 sizeof 运算符操作数时，返回整个数组的长度，而不是指向数组的指针的长度；2）当数组名作为地址运算符 & 的操作数时，返回的是一个指向整个数组的指针，而不是指向数组首元素的指针。
3. 指针的 +1 是偏移量问题：一个类型为 X 的指针的移动，是以 sizeof(X) 为移动步进的。
   1. array+1：在数组首元素的内存地址的基础上，偏移一个 sizeof(array[0]) 单位。上例中，为 0x7fffe3743ae0 + 1 * sizeof(array[0]) == 0x7fffe3743ae0 + 1 * sizeof(int) == 0x7fffe3743ae0 + 4 == 0x7fffe3743ae4。
   2. &array+1：在数组的首地址的基础上，偏移一个 sizeof(array 单位。上例中，为 0x7fffe3743ae0 + 1 * sizeof(array) == 0x7fffe3743ae0 + 1 * sizeof(int) * 0x4 == 0x7fffe3743ae0 + 0x16 == 0x7fffe3743af0。

简而言之，数组名 array 的指针是数组基类型（首元素）的地址长度，而 &array 的指针是整个数组的地址长度。