C++数组基础：从入门到实践

C++数组作为基础且强大的数据结构，本文详尽阐述了其定义、初始化、遍历、访问、常见操作，以及与指针的交互，同时覆盖了多维数组和数组在函数中的应用。从数组的显式定义与使用std::array类到多维数组的定义与遍历，再到数组与指针的相互转换，以及数组作为函数参数和返回值的使用场景，本文全面解析了C++中数组的使用方法与技巧。

数组的定义与初始化

在C++中，数组是一种将相同类型的多个变量集合在一起的数据结构。数组的每个元素在内存中连续存放，这使得访问和操作数组元素变得高效。数组的定义依赖于元素的数量和类型，可以通过显式定义或使用std::array类来初始化。

显式定义数组

int main() {
    // 定义一个包含10个整数元素的数组
    int numbers[10];

    // 初始化数组元素
    for(int i = 0; i < 10; ++i) {
        numbers[i] = i * 2; // 将每个元素设置为偶数
    }

    // 打印数组元素
    for(int i = 0; i < 10; ++i) {
        std::cout << numbers[i] << " ";
    }
    return 0;
}

使用std::array类初始化数组

std::array是一个包含固定数量元素的数组类型，它提供了额外的类型安全性。

#include <array>
#include <iostream>
int main() {
    // 定义并初始化包含3个整数元素的std::array
    std::array<int, 3> numbers = {1, 2, 3};

    // 访问数组元素
    std::cout << numbers[0] << " " << numbers[1] << " " << numbers[2] << std::endl;

    return 0;
}

数组的遍历与访问

遍历数组通常使用for循环，访问数组元素时，可以使用索引来引用。

使用for循环遍历数组

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

数组的常见操作

数组元素的插入与删除

由于数组的固定大小，无法动态调整大小，因此插入和删除操作通常需要创建一个新的数组，并复制元素。

#include <algorithm>

int main() {
    int numbers[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int newNumbers[6]; // 新数组有更大的容量
    std::copy(numbers, numbers + 5, newNumbers); // 复制5个元素到新数组

    // 插入一个新的元素
    newNumbers[5] = 6;

    // 删除元素（这里通过覆盖原元素来模拟删除）
    newNumbers[3] = newNumbers[4] = -1;

    return 0;
}

数组元素的查找与排序

查找和排序通常使用标准库提供的函数。

#include <algorithm>
#include <iostream>

int main() {
    int numbers[] = {5, 2, 8, 3, 9};
    std::sort(numbers, numbers + sizeof(numbers) / sizeof(int)); // 排序数组

    for(int i = 0; i < sizeof(numbers) / sizeof(int); ++i) {
        std::cout << numbers[i] << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 查找元素位置
    int index = std::find(numbers, numbers + sizeof(numbers) / sizeof(int), 3) - numbers;
    std::cout << "Index of 3: " << index << std::endl;

    return 0;
}

数组元素的复制与交换

复制数组元素可以使用std::copy函数，而交换元素可以通过临时变量或使用标准库提供的算法。

#include <algorithm>
#include <iostream>

int main() {
    int array1[] = {1, 2, 3};
    int array2[] = {4, 5, 6};

    // 复制数组元素
    std::copy(array1, array1 + 3, array2);

    // 交换两个数组的元素（使用临时变量）
    int temp = array1[0];
    array1[0] = array2[0];
    array2[0] = temp;

    return 0;
}

数组与指针

数组可以视为指向数组第一个元素的指针加上一个类型和大小信息。

指针的基础知识

指针变量保存的是内存地址，可以用于操作数组元素。

int main() {
    int array[] = {1, 2, 3};
    int *ptr = &array[0]; // 指向数组的第一个元素

    std::cout << "Element at index 1: " << *(ptr + 1) << std::endl; // 访问索引为1的元素

    return 0;
}

数组作为指针的用法

数组名实际上是一个指向数组第一个元素的常量指针。

int main() {
    int array[] = {1, 2, 3};
    int (*ptr)[3] = &array; // 指向一个包含3个整数的数组

    std::cout << "Array index 1: " << (*ptr)[1] << std::endl; // 访问数组的第二个元素

    return 0;
}

指针与数组的相互转换

可以将指针转换为数组，反之亦然。

int main() {
    int array[] = {1, 2, 3};
    int (*ptr)[3] = array; // 指针指向数组

    int array_from_ptr[] = ptr; // 数组从指针转换

    return 0;
}

多维数组

多维数组在实际问题中非常常见，如矩阵操作和图像处理。

二维数组的定义与初始化

int main() {
    int matrix[3][3] = {
        {1, 2, 3},
        {4, 5, 6},
        {7, 8, 9}
    };

    // 访问二维数组元素
    std::cout << "Matrix element at (1, 2): " << matrix[1][2] << std::endl;

    return 0;
}

多维数组的遍历与访问

遍历二维数组通常使用两层for循环。

int main() {
    int matrix[3][3] = {
        {1, 2, 3},
        {4, 5, 6},
        {7, 8, 9}
    };

    for(int i = 0; i < 3; ++i) {
        for(int j = 0; j < 3; ++j) {
            std::cout << matrix[i][j] << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }
    return 0;
}

数组与函数

数组作为函数参数的传递

数组作为参数传递时，传递的是数组的首地址。

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

int main() {
    int array[] = {1, 2, 3};
    int size = sizeof(array) / sizeof(array[0]);
    printArray(array, size);
    return 0;
}

使用数组返回值的函数

通过指针返回数组，可以避免复制数组的开销。

int* createArray(int size) {
    return new int[size];
}

void fillArray(int *arr, int size) {
    for(int i = 0; i < size; ++i) {
        arr[i] = i; // 为数组元素赋值
    }
}

int main() {
    int size = 5;
    int* array = createArray(size);
    fillArray(array, size);
    // 使用数组
    for(int i = 0; i < size; ++i) {
        std::cout << array[i] << " ";
    }
    delete[] array; // 释放内存
    return 0;
}

数组是C++编程中基本且强大的数据结构。通过上述示例，我们介绍了数组的定义和初始化、遍历和访问、常用操作、与指针的交互以及多维数组和数组在函数中的用法。了解这些概念和技巧将大大提升您的编程能力。

本文以清晰的结构展示了C++数组的基本概念、初始化、常见操作以及与指针的交互机制。通过提供详尽的代码示例，读者可以直观地了解数组的使用方法，从而在实际开发中灵活运用数组这一数据结构。