C++数组教程：从基础到实践的全面指南

C++数组教程旨在深入讲解数组这一核心数据结构，从基本概念、声明与初始化、访问与操作，到多维数组应用，直至介绍数组在排序、查找算法、矩阵操作和实现数据结构如栈、队列中的实践案例。文章全面覆盖数组的使用方法和应用场景，助你掌握C++中数组的高效管理与灵活应用。

引入数组概念

数组是C++中一种基本的数据结构，用于存储相同类型数据的序列。数组的定义是由一系列连续内存位置组成，这些内存位置可以存储元素，且所有元素类型相同。数组具有以下主要特性：

1. 固定大小：数组的大小在声明时就已经确定，无法改变。
2. 元素连续存储：数组中的元素在内存中连续存储，这使得访问数组元素的时间复杂度接近常数。
3. 元素索引：数组元素通过索引访问，索引从0开始，最大索引值为数组大小减1。

与动态内存的区别在于，动态内存分配允许在程序运行时创建和销毁内存，而数组的大小在编译时就要确定。

声明与初始化数组

在C++中声明数组有两种方式：

1. 显式声明和初始化：

   int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};

2. 声明和初始化结合：

   int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};  

在声明数组时，可以省略大小，这样做只是创建了一个具有默认大小（0）的数组，必须在初始化时指定大小。

访问与操作数组元素

访问数组元素通过索引进行，索引从0开始。更新和遍历数组元素是通过指针或索引来实现的。

访问数组元素

#include<iostream>
int main() {
    int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    std::cout << arr[0] << std::endl;  // 输出: 1
}

更新数组元素

int main() {
    int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    arr[2] = 10;  // 更新数组中的某个元素
    std::cout << arr[2] << std::endl;  // 输出: 10
}

遍历数组元素

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

数组的常见应用

数组在排序与查找算法中有着广泛的应用。例如，选择排序算法可以使用数组实现：

void selectionSort(int arr[], int n) {
    for (int i = 0; i < n - 1; i++) {
        int min_idx = i;
        for (int j = i + 1; j < n; j++) {
            if (arr[j] < arr[min_idx]) {
                min_idx = j;
            }
        }
        std::swap(arr[i], arr[min_idx]);
    }
}

多维数组的使用

多维数组允许我们组织数据为矩阵或其他复杂结构。二维数组是其中最常见的一种，用于表示表或矩阵。

二维数组的声明与初始化

int main() {
    int arr[3][3] = {
        {1, 2, 3},
        {4, 5, 6},
        {7, 8, 9}
    };
    std::cout << arr[1][1] << std::endl;  // 输出: 5
}

多维数组在矩阵操作中的应用

void multiplyMatrices(int mat1[3][3], int mat2[3][3], int result[3][3]) {
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        for (int j = 0; j < 3; j++) {
            result[i][j] = 0;
            for (int k = 0; k < 3; k++) {
                result[i][j] += mat1[i][k] * mat2[k][j];
            }
        }
    }
}

实战案例：使用数组解决实际问题

实例：使用数组实现简单的数据结构（如栈或队列）

栈实现：

#include <iostream>
#include <vector>

class Stack {
private:
    std::vector<int> data;
public:
    void push(int value) {
        data.push_back(value);
    }

    int pop() {
        if (!data.empty()) {
            return data.back();
        }
        std::cerr << "Error: Stack is empty." << std::endl;
        return -1;
    }

    bool is_empty() const {
        return data.empty();
    }
};

int main() {
    Stack stack;
    stack.push(10);
    stack.push(20);
    std::cout << stack.pop() << std::endl;  // 输出: 20
    std::cout << stack.pop() << std::endl;  // 输出: 10
    return 0;
}

队列实现：

#include <iostream>
#include <vector>

class Queue {
private:
    std::vector<int> data;
    int front;
    int rear;
public:
    Queue() : front(0), rear(-1) {}

    void enqueue(int value) {
        if (rear == data.size() - 1) {
            data.push_back(value);
        } else {
            data[++rear] = value;
        }
    }

    int dequeue() {
        if (front <= rear) {
            return data[front++];
        }
        std::cerr << "Error: Queue is empty." << std::endl;
        return -1;
    }

    bool is_empty() const {
        return front > rear;
    }
};

int main() {
    Queue queue;
    queue.enqueue(3);
    queue.enqueue(6);
    std::cout << queue.dequeue() << std::endl;  // 输出: 3
    std::cout << queue.dequeue() << std::endl;  // 输出: 6
    return 0;
}

通过上述实例，我们展示了如何使用数组来实现基本的数据结构——栈和队列。这不仅加深了对数组操作的理解，也为解决实际问题提供了基础。