从零开始探索C语言（六）----数组

1. 数组初识

C 语言支持数组数据结构，它可以存储一个固定大小的相同类型元素的顺序集合。数组是用来存储一系列数据，但它往往被认为是一系列相同类型的变量。

数组的声明并不是声明一个个单独的变量，比如 a0、a1、…、a99，而是声明一个数组变量，比如 a，然后使用a[0]、ab[1]、…、a[99] 来代表一个个单独的变量。

所有的数组都是由连续的内存位置组成。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，第一个索引值为 0。

C 语言还允许我们使用指针来处理数组，这使得对数组的操作更加灵活和高效。

1.1 数组声明

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，如下所示：

type arrayName [ arraySize ];
1

这叫做一维数组。arraySize 必须是一个大于零的整数常量，type 可以是任意有效的 C 数据类型。

例如，要声明一个类型为 double 的包含 10 个元素的数组 balance，声明语句如下：

double balance[10];
1

现在 balance 是一个可用的数组，可以容纳 10 个类型为 double 的数字。

1.2 数组初始化

在 C 中，我们可以逐个初始化数组，也可以使用一个初始化语句，如下所示：

double balance[5] = {1000.0, 2.0, 3.4, 7.0, 50.0};
1

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。

如果省略掉了数组的大小，数组的大小则为初始化时元素的个数。因此，如果：

double balance[] = {1000.0, 2.0, 3.4, 7.0, 50.0};
1

你将创建一个数组，它与前一个实例中所创建的数组是完全相同的。

下面是一个为数组中某个元素赋值的实例：

balance[4] = 50.0;
1

上述的语句把数组中第五个元素的值赋为 50.0。所有的数组都是以 0 作为它们第一个元素的索引，也被称为基索引，数组的最后一个索引是数组的总大小减去 1。

以下是上面所讨论的数组的的图形表示：

1.3 数组元素的访问

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。

例如：

double salary = balance[9];
1

上面的语句将把数组中第 10 个元素的值赋给 salary 变量。

下面的实例使用了上述的三个概念，即，声明数组、数组赋值、访问数组：

实例

#include 
 
int main ()
{
   int n[ 10 ]; /* n 是一个包含 10 个整数的数组 */
   int i,j;
 
   /* 初始化数组元素 */         
   for ( i = 0; i < 10; i++ )
   {
      n[ i ] = i + 100; /* 设置元素 i 为 i + 100 */
   }
   
   /* 输出数组中每个元素的值 */
   for (j = 0; j < 10; j++ )
   {
      printf("Element[%d] = %d\n", j, n[j] );
   }
 
   return 0;
}
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当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

1.4 获取数组长度

数组长度可以使用 sizeof 运算符来获取数组的长度，例如：

int numbers[] = {1, 2, 3, 4, 5};
int length = sizeof(numbers) / sizeof(numbers[0]);
1
2

实例

#include 

int main() {
    int array[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int length = sizeof(array) / sizeof(array[0]);

    printf("数组长度为: %d\n", length);

    return 0;
}
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使用宏定义：

实例

#include 

#define LENGTH(array) (sizeof(array) / sizeof(array[0]))

int main() {
    int array[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int length = LENGTH(array);

    printf("数组长度为: %d\n", length);

    return 0;
}
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以上实例输出结果为：

数组长度为: 5
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1.5 数组名

在 C 语言中，数组名表示数组的地址，即数组首元素的地址。

当我们在声明和定义一个数组时，该数组名就代表着该数组的地址。

例如，在以下代码中：

int myArray[5] = {10, 20, 30, 40, 50};
1

在这里，myArray 是数组名，它表示整数类型的数组，包含 5 个元素。myArray 也代表着数组的地址，即第一个元素的地址。

数组名本身是一个常量指针，意味着它的值是不能被改变的，一旦确定，就不能再指向其他地方。

我们可以使用&运算符来获取数组的地址，如下所示：

int myArray[5] = {10, 20, 30, 40, 50};
int *ptr = &myArray[0]; // 或者直接写作 int *ptr = myArray;
1
2

在上面的例子中，ptr 指针变量被初始化为 myArray 的地址，即数组的第一个元素的地址。

需要注意的是，虽然数组名表示数组的地址，但在大多数情况下，数组名会自动转换为指向数组首元素的指针。这意味着我们可以直接将数组名用于指针运算，例如在函数传递参数或遍历数组时：

实例

#include 

void printArray(int arr[], int size) {
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", arr[i]); // 数组名arr被当作指针使用
    }
}

int main() {
    int myArray[5] = {10, 20, 30, 40, 50};
    printArray(myArray, 5); // 将数组名传递给函数
    return 0;
}
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在上述代码中，printArray 函数接受一个整数数组和数组大小作为参数，我们将 myArray 数组名传递给函数，函数内部可以像使用指针一样使用 arr 数组名。

2. 多维数组

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];
1

例如，下面的声明创建了一个三维 5 . 10 . 4 整型数组：

int threedim[5][10][4];
1

多维数组最简单的形式是二维数组。一个二维数组，在本质上，是一个一维数组的列表。

声明一个 x 行 y 列的二维整型数组，形式如下：

type arrayName [ x ][ y ];
1

其中，type 可以是任意有效的 C 数据类型，arrayName 是一个有效的 C 标识符。一个二维数组可以被认为是一个带有 x 行和 y 列的表格。下面是一个二维数组，包含 3 行和 4 列：

int x[3][4];
1

因此，数组中的每个元素是使用形式为 a[ i , j ] 的元素名称来标识的，其中 a 是数组名称，i 和 j 是唯一标识 a 中每个元素的下标。

多维数组可以通过在括号内为每行指定值来进行初始化。

下面是一个带有 3 行 4 列的数组：

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 */
};
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内部嵌套的括号是可选的，下面的初始化与上面是等同的：

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

二维数组中的元素是通过使用下标（即数组的行索引和列索引）来访问的。例如：

int val = a[2][3];
1

上面的语句将获取数组中第 3 行第 4 个元素。可以通过上面的示意图来进行验证。

让我们来看看下面的程序，我们将使用嵌套循环来处理二维数组：

#include 
 
int main ()
{
   /* 一个带有 5 行 2 列的数组 */
   int a[5][2] = { {0,0}, {1,2}, {2,4}, {3,6},{4,8}};
   int i, j;
 
   /* 输出数组中每个元素的值 */
   for ( i = 0; i < 5; i++ )
   {
      for ( j = 0; j < 2; j++ )
      {
         printf("a[%d][%d] = %d\n", i,j, a[i][j] );
      }
   }
   return 0;
}
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当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

如上所述，我们可以创建任意维度的数组，但是一般情况下，我们创建的数组是一维数组和二维数组。

3. 形参数组

如果想要在函数中传递一个一维数组作为参数，则必须以下面三种方式来声明函数形式参数，这三种声明方式的结果是一样的，因为每种方式都会告诉编译器将要接收一个整型指针。同样地，您也可以传递一个多维数组作为形式参数。

1. 方式 1
   形式参数是一个指针：

void myFunction(int *param)
{
.
.
.
}
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2. 方式 2
   形式参数是一个已定义大小的数组：

void myFunction(int param[10])
{
.
.
.
}
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3. 方式 3
   形式参数是一个未定义大小的数组：

void myFunction(int param[])
{
.
.
.
}
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实例
现在，让我们来看下面这个函数，它把数组作为参数，同时还传递了另一个参数，根据所传的参数，会返回数组中元素的平均值：

double getAverage(int arr[], int size)
{
  int    i;
  double avg;
  double sum;
 
  for (i = 0; i < size; ++i)
  {
    sum += arr[i];
  }
 
  avg = sum / size;
 
  return avg;
}
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现在，让我们调用上面的函数，如下实例所示：

#include 
 
/* 函数声明 */
double getAverage(int arr[], int size);
 
int main ()
{
   /* 带有 5 个元素的整型数组 */
   int balance[5] = {1000, 2, 3, 17, 50};
   double avg;
 
   /* 传递一个指向数组的指针作为参数 */
   avg = getAverage( balance, 5 ) ;
 
   /* 输出返回值 */
   printf( "平均值是： %f ", avg );
    
   return 0;
}
 
double getAverage(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;
}
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当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

平均值是： 214.400000 
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可以看到，就函数而言，数组的长度是无关紧要的，因为 C 不会对形式参数执行边界检查。

4.函数返回数组

C 语言不允许返回一个完整的数组作为函数的参数，但是，可以通过指定不带索引的数组名来返回一个指向数组的指针。

如果想要从函数返回一个一维数组，必须声明一个返回指针的函数，如下：

int * myFunction()
{
.
.
.
}
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另外，C 不支持在函数外返回局部变量的地址，除非定义局部变量为 static 变量。

现在，让我们来看下面的函数，它会生成 10 个随机数，并使用数组来返回它们，具体如下：

实例

#include 
#include 
#include 
 
/* 要生成和返回随机数的函数 */
int * getRandom( )
{
  static int  r[10];
  int i;
 
  /* 设置种子 */
  srand( (unsigned)time( NULL ) );
  for ( i = 0; i < 10; ++i)
  {
     r[i] = rand();
     printf( "r[%d] = %d\n", i, r[i]);
 
  }
 
  return r;
}
 
/* 要调用上面定义函数的主函数 */
int main ()
{
   /* 一个指向整数的指针 */
   int *p;
   int i;
 
   p = getRandom();
   for ( i = 0; i < 10; i++ )
   {
       printf( "*(p + %d) : %d\n", i, *(p + i));
   }
 
   return 0;
}
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当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

5. 指向数组的指针

数组名本身是一个常量指针，意味着它的值是不能被改变的，一旦确定，就不能再指向其他地方。

因此，在下面的声明中：

double balance[50];
1

balance 是一个指向 &balance[0] 的指针，即数组 balance 的第一个元素的地址。

因此，下面的程序片段把 p 赋值为 balance 的第一个元素的地址：

double *p;
double balance[10];

p = balance;
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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。

一旦把第一个元素的地址存储在 p 中，就可以使用 p、(p+1)、*(p+2) 等来访问数组元素。
下面的实例演示了上面讨论到的这些概念：

#include 
 
int main ()
{
   /* 带有 5 个元素的整型数组 */
   double balance[5] = {1000.0, 2.0, 3.4, 17.0, 50.0};
   double *p;
   int i;
 
   p = balance;
 
   /* 输出数组中每个元素的值 */
   printf( "使用指针的数组值\n");
   for ( i = 0; i < 5; i++ )
   {
       printf("*(p + %d) : %f\n",  i, *(p + i) );
   }
 
   printf( "使用 balance 作为地址的数组值\n");
   for ( i = 0; i < 5; i++ )
   {
       printf("*(balance + %d) : %f\n",  i, *(balance + i) );
   }
 
   return 0;
}
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当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

使用指针的数组值
*(p + 0) : 1000.000000
*(p + 1) : 2.000000
*(p + 2) : 3.400000
*(p + 3) : 17.000000
*(p + 4) : 50.000000
使用 balance 作为地址的数组值
*(balance + 0) : 1000.000000
*(balance + 1) : 2.000000
*(balance + 2) : 3.400000
*(balance + 3) : 17.000000
*(balance + 4) : 50.000000

在上面的实例中，p 是一个指向 double 型的指针，这意味着它可以存储一个 double 类型的变量。
一旦我们有了 p 中的地址，*p 将给出存储在 p 中相应地址的值，正如上面实例中所演示的。

6. 静态数组和动态数组

在 C 语言中，有两种类型的数组：

静态数组：编译时分配内存，大小固定。
动态数组：运行时手动分配内存，大小可变。

静态数组的生命周期与作用域相关，而动态数组的生命周期由程序员控制。

在使用动态数组时，需要注意合理地分配和释放内存，以避免内存泄漏和访问无效内存的问题。

6.2 静态数组

静态数组是在编译时声明并分配内存空间的数组。

静态数组具有固定的大小，在声明数组时需要指定数组的长度。

静态数组的特点包括：

1. 内存分配：在程序编译时，静态数组的内存空间就被分配好了，存储在栈上或者全局数据区。
2. 大小固定：静态数组的大小在声明时确定，并且无法在运行时改变。
3. 生命周期：静态数组的生命周期与其作用域相关。如果在函数内部声明静态数组，其生命周期为整个函数执行期间；如果在函数外部声明静态数组，其生命周期为整个程序的执行期间。

静态数组的声明和初始化示例：

int staticArray[5]; // 静态数组声明
int staticArray[] = {1, 2, 3, 4, 5}; // 静态数组声明并初始化对于静态数组，可以使用 sizeof 运算符来获取数组长度，例如：
int array[] = {1, 2, 3, 4, 5};
int length = sizeof(array) / sizeof(array[0]);
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以上代码中 sizeof(array) 返回整个数组所占用的字节数，而 sizeof(array[0]) 返回数组中单个元素的字节数，将两者相除，就得到了数组的长度。

以上是一个简单的静态数组实例：

实例

#include 

int main() {
    int staticArray[] = {1, 2, 3, 4, 5}; // 静态数组声明并初始化
    int length = sizeof(staticArray) / sizeof(staticArray[0]);
    printf("数组长度：%d\n",length);

    printf("静态数组: ");
    for (int i = 0; i < length; i++) {
        printf("%d ", staticArray[i]);
    }
    printf("\n");

    return 0;
}
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输出结果：

数组长度：5
静态数组: 1 2 3 4 5 
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以上实例中，我们声明并初始化了一个静态数组 staticArray，它包含了 5 个整数元素，然后我们通过 sizeof 运算符，我们计算了静态数组的长度，并使用循环遍历并打印数组的元素。

6.2 动态数组

动态数组是在运行时通过动态内存分配函数（如 malloc 和 calloc）手动分配内存的数组。

动态数组特点如下：

1. 内存分配：动态数组的内存空间在运行时通过动态内存分配函数手动分配，并存储在堆上。需要使用 malloc、calloc 等函数来申请内存，并使用 free 函数来释放内存。
2. 大小可变：动态数组的大小在运行时可以根据需要进行调整。可以使用 realloc 函数来重新分配内存，并改变数组的大小。
3. 生命周期：动态数组的生命周期由程序员控制。需要在使用完数组后手动释放内存，以避免内存泄漏。

动态数组的声明、内存分配和释放实例：

int size = 5;
int *dynamicArray = (int *)malloc(size * sizeof(int)); // 动态数组内存分配
// 使用动态数组
free(dynamicArray); // 动态数组内存释放
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动态分配的数组，可以在动态分配内存时保存数组长度，并在需要时使用该长度，例如：

int size = 5; // 数组长度
int *array = malloc(size * sizeof(int));

// 使用数组

free(array); // 释放内存
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以上代码我们使用 malloc 函数动态分配了一个整型数组，并将长度保存在变量 size 中。然后可以根据需要使用这个长度进行操作，在使用完数组后，使用 free 函数释放内存。

注意：动态数组的使用需要注意内存管理的问题，确保在不再需要使用数组时释放内存，避免内存泄漏和访问无效的内存位置。

以上是一个简单的动态数组使用实例：

#include 
#include 

int main() {
    int size = 5;
    int *dynamicArray = (int *)malloc(size * sizeof(int)); // 动态数组内存分配

    if (dynamicArray == NULL) {
        printf("Memory allocation failed.\n");
        return 1;
    }

    printf("Enter %d elements: ", size);
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        scanf("%d", &dynamicArray[i]);
    }

    printf("Dynamic Array: ");
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", dynamicArray[i]);
    }
    printf("\n");

    free(dynamicArray); // 动态数组内存释放

    return 0;
}
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输出结果：

Enter 5 elements: 1 2 3 4 5
Dynamic Array: 1 2 3 4 5 
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以上实例中，我们首先声明了一个变量 size 来指定动态数组的大小。

然后使用 malloc 函数为动态数组分配内存，并通过 sizeof 运算符计算所需的内存大小。

接下来，通过循环和 scanf 函数，从用户输入中读取元素值并存储到动态数组中。

最后，使用循环遍历并打印动态数组的元素。在程序结束时，使用 free 函数释放动态数组所占用的内存。

请注意，在使用动态数组时，需要检查内存分配是否成功（即 dynamicArray 是否为 NULL），以避免在内存分配失败时发生错误。