数组

引言

本章逻辑结构如下：

先介绍一维数组基础。
然后讲解多维数组。
接着讨论字符串作为特殊数组。
最后探讨数组在函数中的使用、常见错误和最佳实践。

第一节：一维数组基础

一维数组是最简单的形式，像一个线性列表，存储固定数量的相同类型元素。元素通过下标（索引）访问，从0开始。在下一章中，你会学到数组名实际上是一个指向首元素的指针，这解释了数组的许多行为。

1.1 声明数组

语法：类型数组名[大小];
大小必须是正整数常量（C99前严格要求常量，C99+支持变量作为大小，称为VLA - 可变长度数组）。
示例：int scores[10]; // 10个int元素，未初始化时包含垃圾值。
注意：声明时不指定大小会编译错误，除非初始化。

1.2 初始化数组

完整初始化：int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
部分初始化：int arr[5] = {1, 2}; // 剩余元素自动为0（对int、float等）。
自动推断大小：int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5}; // 大小为5
指定位置初始化（C99+）：int arr[5] = {[0]=10, [4]=50}; // 其他为0
用循环初始化：for (int i = 0; i < 5; i++) arr[i] = i * 10;

1.3 访问和修改元素

访问：arr[索引]，如 arr[0] 获取第一个元素。这等价于指针解引用*(arr + 索引)，详见指针章节。
修改：arr[2] = 30;
下标范围：0 到大小-1。越界访问导致未定义行为（如崩溃或错数据）。

示例代码：求数组最大值。

#include <stdio.h>

int main() {
    int arr[5] = {10, 50, 30, 40, 20};
    int max = arr[0];
    for (int i = 1; i < 5; i++) {
        if (arr[i] > max) max = arr[i];
    }
    printf("最大值: %d\n", max);  // 输出: 50
    return 0;
}

1.4 数组的内存布局

数组元素在内存中连续存储。这使得指针运算高效，如用指针遍历数组（指针章节会详细说明）。
sizeof(arr) 返回整个数组字节大小：sizeof(int) * 5 = 20（假设int 4字节）。
求元素数：sizeof(arr) / sizeof(arr[0])。注意，在函数中传递数组时，这个技巧失效，因为数组退化为指针。

注意事项：

数组不可整体赋值：arr = {1,2,3}; 只在声明时有效。需用循环或memcpy。
VLA示例：int n=5; int arr[n]; // C99+

第二节：多维数组

多维数组扩展一维，像表格或立方体，用于矩阵、图像等。同样，多维数组在内存中连续存储，可用指针访问整个块。

2.1 二维数组

语法：类型数组名[行数][列数];
示例：int matrix[3][4]; // 3行4列，12个int
初始化：int matrix[2][3] = {{1,2,3}, {4,5,6}}; 或扁平{1,2,3,4,5,6}
访问：matrix[行][列]，如 matrix[1][2] = 6; 这可视为指针运算*(matrix[行] + 列)。

示例：矩阵加法。

int a[2][2] = {{1,2}, {3,4}};
int b[2][2] = {{5,6}, {7,8}};
int sum[2][2];
for (int i = 0; i < 2; i++) {
    for (int j = 0; j < 2; j++) {
        sum[i][j] = a[i][j] + b[i][j];
    }
}

2.2 高维数组

三维：int cube[2][3][4]; // 2层、3行、4列
初始化类似嵌套。
内存布局：行优先（C是row-major），连续存储。这允许用单指针遍历整个数组，如将二维数组视为一维（指针章节示例）。

2.3 多维数组的应用

图像处理：char img[高度][宽度][通道]; // RGB
游戏板：char board[8][8]; // 棋盘

注意事项：

大数组可能栈溢出（栈大小有限），考虑动态分配（指针章节中的malloc）。
部分初始化：剩余填充0。

第三节：字符串作为数组

在C中，字符串是char数组，以null终止符'\0'结束。字符串常与指针结合使用，如char*指向字符串。

3.1 声明字符串

char str[6] = {'h','e','l','l','o','\0'}; 或 char str[] = "hello"; // 自动加'\0'，大小6
未加'\0'不是标准字符串。

3.2 操作字符串

访问：str[0] = 'H'; // 修改为"Hello"
打印：printf("%s\n", str); // %s读到'\0'止
长度：手动循环或用strlen（<string.h>）

示例：字符串连接（简单版）。

#include <string.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    char s1[10] = "hello";
    char s2[] = " world";
    strcat(s1, s2);  // s1够大
    printf("%s\n", s1);  // hello world
    return 0;
}

3.3 字符串库函数

<string.h>：strcpy(复制), strcat(连接), strcmp(比较), strlen(长度), strchr(找字符)等。
安全版（C11+）：strcpy_s 等，防溢出。

注意事项：

"hello" 是字符串常量，不可修改（指针章节会解释常量字符串指针）。
输入：scanf("%s", str); // 读到空格止，gets危险（用fgets）。
数组溢出：strcpy不检查大小，用strncpy。

第四节：数组在函数中的使用

传递数组：void func(int arr[5]) 或 int arr[] // 大小可选
实际退化为指针（详见指针章节），丢失大小：需传长度参数。这意味着函数内sizeof(arr)返回指针大小，不是数组大小。
示例：void printArr(int arr[], int size) { for(int i=0; i<size; i++) printf("%d ", arr[i]); }

修改数组：函数内改arr[i]影响原数组（传地址）。

返回数组：不能直接返回局部数组（栈释放），用指针或全局（指针章节用malloc动态返回）。

多维数组传递：void func(int matrix[][4], int rows); // 指定内维大小。

第五节：常见错误和最佳实践

越界访问：用条件检查i < size。指针章节会介绍用指针哨兵避免。
未初始化：总初始化为0或值。
字符串无'\0'：导致读越界。
大数组栈溢出：用static或全局，或指针动态分配。
函数中sizeof失效：因为退化为指针。
最佳实践：用const int SIZE=10; 定义大小。循环用sizeof求长度（栈数组）。避免硬编码索引。考虑用指针增强灵活性。

总结与进阶

这一章我们全面掌握了数组，从一维到多维，再到字符串应用。数组是静态高效的集合基础，但其与指针的内在联系（如数组名是指针常量）将在下一章《指针》中揭示，那里你会学到更灵活的内存操作。

进阶阅读：数组与算法（如搜索、排序）、VLA局限。