C++ 数组基础
什么是数组？
数组是C++中最基本的数据结构之一，它允许我们在连续的内存位置存储相同类型的多个数据项。与单独声明多个变量相比，数组可以让我们更有效地组织和处理大量相关数据。
在C++中，数组是固定大小的，这意味着一旦定义，其大小就不能改变。如果需要可变大小的数据集合，C++提供了其他容器如vector，我们将在后续课程中介绍。
备注
数组可以被视为相同类型元素的集合，每个元素通过索引访问，索引从0开始。
声明数组
在C++中声明数组的基本语法如下：
cpp
数据类型 数组名[数组大小];
例如，声明一个可以存储5个整数的数组：
cpp
int numbers[5];
这将创建一个名为numbers的数组，可以存储5个整数值。
数组初始化
有多种方式可以初始化数组：
1. 在声明时初始化
cpp
int numbers[5] = {10, 20, 30, 40, 50};
2. 部分初始化
如果初始化的值少于数组大小，剩余元素会被自动初始化为零：
cpp
int numbers[5] = {10, 20, 30}; // 等价于 {10, 20, 30, 0, 0}
3. 省略数组大小
如果在声明时提供初始值，可以省略数组大小，编译器会根据初始值数量确定数组大小：
cpp
int numbers[] = {10, 20, 30, 40, 50}; // 大小为5的数组
4. 在C++11及更高版本中使用统一初始化语法
cpp
int numbers[5]{10, 20, 30, 40, 50};
5. 初始化为零
cpp
int numbers[5] = {}; // 所有元素初始化为0
让我们看一个完整的示例：
cpp
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
// 声明并初始化数组
int numbers[5] = {10, 20, 30, 40, 50};
// 输出数组元素
cout << "数组中的元素是: ";
for (int i = 0; i < 5; i++) {
cout << numbers[i] << " ";
}
cout << endl;
return 0;
}
输出：
数组中的元素是: 10 20 30 40 50
访问数组元素
数组元素通过索引访问，索引从0开始。也就是说，第一个元素位于索引0，第二个元素位于索引1，依此类推。
cpp
int numbers[5] = {10, 20, 30, 40, 50};
// 访问第一个元素
int firstElement = numbers[0]; // 10
// 访问第三个元素
int thirdElement = numbers[2]; // 30
// 修改第五个元素
numbers[4] = 100; // 数组现在是 {10, 20, 30, 40, 100}
警告
访问超出数组边界的索引会导致未定义行为，可能会导致程序崩溃或产生错误结果。C++不会自动检查数组边界！
例如，以下代码可能导致错误：
cpp
int numbers[5] = {10, 20, 30, 40, 50};
int value = numbers[5]; // 错误：索引超出范围
数组与循环
数组通常与循环一起使用来处理数据。以下是一些常见模式：
使用标准for循环
cpp
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
int scores[5] = {85, 92, 78, 95, 88};
int sum = 0;
// 计算总分
for (int i = 0; i < 5; i++) {
sum += scores[i];
}
double average = (double)sum / 5;
cout << "平均分是: " << average << endl;
return 0;
}
输出：
平均分是: 87.6
使用基于范围的for循环（C++11及更高版本）
cpp
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
int scores[5] = {85, 92, 78, 95, 88};
int sum = 0;
// 使用基于范围的for循环
for (int score : scores) {
sum += score;
}
double average = (double)sum / 5;
cout << "平均分是: " << average << endl;
return 0;
}
输出：
平均分是: 87.6
数组大小
在C++中，可以使用sizeof运算符获取数组的总字节大小，然后除以单个元素的大小来得到元素数量：
cpp
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
int numbers[] = {10, 20, 30, 40, 50, 60, 70};
// 获取数组元素数量
int size = sizeof(numbers) / sizeof(numbers[0]);
cout << "数组中有 " << size << " 个元素" << endl;
return 0;
}
输出：
数组中有 7 个元素
提示
使用sizeof计算数组大小只适用于函数内部声明的数组。当数组作为函数参数传递时，它会退化为指针，sizeof将无法正确计算元素数量。
字符数组和字符串
在C++中，字符串可以用字符数组表示：
cpp
char greeting[6] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', '\0'};
或更简洁地：
cpp
char greeting[] = "Hello";
第二种方式会自动添加\0（空终止符）在字符串末尾。
cpp
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
char greeting[] = "Hello";
cout << "字符串是: " << greeting << endl;
// 访问单个字符
cout << "第一个字符是: " << greeting[0] << endl;
return 0;
}
输出：
字符串是: Hello
第一个字符是: H
备注
在现代C++中，推荐使用std::string类处理字符串，而不是字符数组，因为它提供了更多功能和安全性。
多维数组
C++支持多维数组。最常见的是二维数组，可以视为"数组的数组"。
声明二维数组
cpp
int matrix[3][4]; // 3行4列的二维数组
初始化二维数组
cpp
int matrix[3][4] = {
{1, 2, 3, 4}, // 第一行
{5, 6, 7, 8}, // 第二行
{9, 10, 11, 12} // 第三行
};
访问二维数组元素
cpp
int value = matrix[1][2]; // 访问第二行第三列的元素，值为7
示例：使用二维数组
cpp
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
// 声明并初始化3x3矩阵
int matrix[3][3] = {
{1, 2, 3},
{4, 5, 6},
{7, 8, 9}
};
// 输出矩阵元素
cout << "矩阵内容:" << endl;
for (int i = 0; i < 3; i++) {
for (int j = 0; j < 3; j++) {
cout << matrix[i][j] << " ";
}
cout << endl;
}
return 0;
}
输出：
矩阵内容:
1 2 3
4 5 6
7 8 9
数组内存布局
数组在内存中是连续存储的，这意味着数组的所有元素在物理内存中彼此相邻：
上图展示了一个包含5个整数的数组在32位系统上的内存布局（每个整数占4个字节）。
实际案例：学生成绩分析
以下是一个使用数组处理学生成绩的实际案例：
cpp
#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;
int main() {
const int NUM_STUDENTS = 5;
// 学生成绩
int scores[NUM_STUDENTS] = {78, 92, 67, 84, 95};
string names[NUM_STUDENTS] = {"张三", "李四", "王五", "赵六", "钱七"};
// 计算总分和平均分
int sum = 0;
int highest = scores[0];
int lowest = scores[0];
int highestIndex = 0;
int lowestIndex = 0;
for (int i = 0; i < NUM_STUDENTS; i++) {
sum += scores[i];
if (scores[i] > highest) {
highest = scores[i];
highestIndex = i;
}
if (scores[i] < lowest) {
lowest = scores[i];
lowestIndex = i;
}
}
double average = (double)sum / NUM_STUDENTS;
// 输出结果
cout << fixed << setprecision(2);
cout << "学生成绩统计：" << endl;
cout << "---------------------" << endl;
cout << "总分: " << sum << endl;
cout << "平均分: " << average << endl;
cout << "最高分: " << highest << " (学生: " << names[highestIndex] << ")" << endl;
cout << "最低分: " << lowest << " (学生: " << names[lowestIndex] << ")" << endl;
cout << "---------------------" << endl;
// 输出每个学生的成绩和与平均分的差异
cout << "各学生成绩详情：" << endl;
for (int i = 0; i < NUM_STUDENTS; i++) {
double difference = scores[i] - average;
cout << names[i] << ": " << scores[i] << " (";
if (difference > 0) {
cout << "高于平均分 " << difference << " 分)";
} else if (difference < 0) {
cout << "低于平均分 " << -difference << " 分)";
} else {
cout << "等于平均分)";
}
cout << endl;
}
return 0;
}
输出：
学生成绩统计：
---------------------
总分: 416
平均分: 83.20
最高分: 95 (学生: 钱七)
最低分: 67 (学生: 王五)
---------------------
各学生成绩详情：
张三: 78 (低于平均分 5.20 分)
李四: 92 (高于平均分 8.80 分)
王五: 67 (低于平均分 16.20 分)
赵六: 84 (高于平均分 0.80 分)
钱七: 95 (高于平均分 11.80 分)
总结
在本教程中，我们学习了：
- 数组的基本概念和用途
- 如何声明和初始化数组
- 如何访问和修改数组元素
- 使用循环处理数组
- 计算数组大小
- 字符数组和字符串
- 多维数组
- 数组的内存布局
- 通过实际案例应用数组知识
数组是C++编程中的基础数据结构，掌握它对于解决各种编程问题至关重要。随着你的编程技能提升，你会发现标准库中的容器（如vector、array等）提供了更多功能和安全性，但理解基本数组仍然是必不可少的。
练习
- 创建一个包含10个整数的数组，然后编写代码找出数组中的最大值和最小值。
- 编写一个程序，将一个数组的元素按相反顺序存储到另一个数组中。
- 创建一个5×5的二维数组，将其初始化为一个单位矩阵（主对角线上的元素为1，其余为0）。
- 编写一个程序，计算两个3×3矩阵的和（使用二维数组）。
- 创建一个程序，用字符数组存储一个字符串，然后统计其中元音字母（a, e, i, o, u）的数量。
提示
尝试自己解决这些练习，然后与他人的解决方案比较，这将帮助你更好地理解数组的应用。