C++ 炼气期之数组探幽 - 一枚大果壳

1. 数组概念

变量是内存中的一个存储块，大小由声明时的数据类型决定。

数组可以认为是变量的集合，在内存中表现为一片连续的存储区域，其特点为：

• 同类型多个变量的集合。
• 每一个变量没有自己的名字。
• 数组会为每一个变量分配一个位置编号 。
• 可以通过变量在数组中的位置编号（下标）使用变量。

C++中称数组为复合类型，复合类型指除了基本类型之外或通过基本类型组合而成的新类型。如类、结构体、枚举……

数组是一种数据结构，与栈、队列、树、图……这类数结构不同，数组是实体数据结构，有自己的物理内存描述。栈、队列、树……是抽象数据结构，或者说是一种数据存储思想，没有对应的物理存储方案，需开发者自行设计逻辑存储方案。

什么时候使用数组？

在需要保存大量同类型数据的应用场景下可以考虑选择数组。因数组中的变量是相邻的，如同一条藤上的瓜（顺藤摸瓜），访问起来非常方便快捷。

大部分抽象数据结构的底层都可借助数组来实现。

连续存储的优点一眼可知，但是连续也会带来新的问题，程序运行过程中，会产生内存碎片，当数组需要的空间较大时，底层逻辑可能无法腾出一大片连续空间来。

当需要考虑充分利用空间时，链表当是首选。

下面，通过数组的使用流程，让我们全方面了解数组。

2. 创建数组

根据数组在内存中的存储位置，有 2 种创建方式：

• 静态创建。
• 动态创建。

2.1 静态创建

2.1.1 语法

创建数组时需要指定 3 方面信息：

• 数组名：数组名就是变量名，只是这个名称指的是一片连续区域。
• 数据类型：数组用来保存什么样类型的数据。
• 数组长度：编译器需要根据数组大小开辟空间。

int num[10]; 

如上语法，创建了可以存储 10 个整型数据的数组。

创建数组后，怎么访问数组中的变量？

编译器会为数组中的 10 个 int 存储块从 0开始编号。编号从 0开始，到数组长度-1结束，编号也称为下标。如果需要访问数组中的第一个变量中的数据，则如下代码可实现：

int num[10]; 
cout<<num[0]<<endl;

正因为数组的下标属性，数组通常借助循环语法结构进行整体遍历。

创建数组后是否存在数据？

遍历一次数组，便可以看到数组中所有的数据信息。

int num[10]; 
for(int i=0;i<10;i++){
	cout<<num[i]<<endl;
}

输出结果可能会让你摸不着头。这是啥意思？

创建数组后，数组中会有数据信息，是内存中相应位置曾经存储过的或由编译器随机生成的数据。对于创建数组初衷（保存自己的数据）的你而言，这都是垃圾数据。

随机数据：每一次运行上述代码，结果可能都不一样。

所以，必须对数组进行初始化，这样数组中的数据才会有意义。

2.1.2 初始化

初始化指创建数组后为数组中的变量指定初始值。

初始化语法：

• 创建后通过循环语法结构赋值。

int num[10];
for(int i=0; i<10; i++) {
	num[i]=i*10;
}

• 单个变量赋值。

int num[10];
num[0]=10;

• 边创建边赋值，{}符号可以用来表示数组字面常量。

//正确
int num[10]={1,3,4,9};

在赋值时，实际指定的值可以少于数组的长度。如果反过来，如下代码则行不通。

//错误
int num[3]={1,3,4,9}; 

上述赋值代码，实际值超过数组创建时的长度约束，语法上不能通过。如果边创建、边赋值分成 2 行，也是不行的。如下代码是错误的。

int num[3];
//错误
num=={1,3,4,9};

如下代码，省略数组长度也是可以的，编译器会根据给定的值判断出数组长度。

int num[]={1,3,4,9};

• 全部初始化为 0。如下代码，初始化时只指定一个值且为 0 时，这里的语义不是指给数组中的第一个变量赋值，而是为数组中的所有变量指定初始值为 0。

int num[5]={0}; 
//输出数组所有值
for(int i=0; i<5; i++) {
	cout<<num[i]<<endl;
}

输出结果：

0
0
0
0
0

如果用下面的代码进行初始化，语义是：数组的第一个变量赋值为 1，其余变量赋值都为 0。

int num[5]={1,0}; 
for(int i=0; i<5; i++) {
	cout<<num[i]<<endl;
}

输出结果：

理解上述语法的语义后，以此类推，对于下面的代码，想必很容易猜到输出结果：

int num[5]={1,2,0}; 
for(int i=0; i<5; i++) {
	cout<<num[i]<<endl;
}

• C++11中提供更清晰、简洁、安全的初始化语法。如下语法，是不是很简洁、惊艳。数组和{}之间可以不用等于号，太体贴了，生怕你多敲一个字母，会手痛。且为数组中的每一个变量赋值 0。没有多余的废话。

int num[5] {};
for(int i=0; i<5; i++) {
	cout<<num[i]<<endl;
}

当然，你一定要加一个等于号让代码符合你曾经的认知也是可以的。

int num[5]= {};

除此之外，对数组初始化时，禁止类型宿窄转换。如下代码，会有编译警告提示，2.5是浮点类型，存储存到 int类型数组中，是类型缩窄。C++11是禁止的。

int num[5] ={3,2.5};

2.1.3 越界问题

C++中使用数组，没有访问越界一说。所谓访问越界，指下标超过数组创建时指定的大小范围。

越界在Java语言中认定是语法错误。

int num[5];
//理论是越界的
num[6]=20;
for(int i=0; i<7; i++) {
    //输出了 7 个数据
	cout<<num[i]<<endl;
}

上述代码，创建数组时，确定了数组长度为 5，其有效下标应该是0~4。但 num[6]=20能正确执行且循环输出时居然能得到 20。

0
0
34
0
0
0
20

C++并不会阻止你的访问超过数组边界，但是，开发者需要从源头上切断这种行为。类似于相邻两家，关系很好，相互之间不设阻隔墙，但不意味着你能随意出入对方家里。

2.2.4 数组与指针

数组在内存中的存储结构有 2 个部分：

• 存储数组数据的内存区域。
• 存储数组首地址的内存变量。

数组名本质是指针变量，保存着数组的首地址，也是第一个存储位置。

int num[5]={4,1,8,2,6};
cout<<"数组的地址："<<num<<endl;
//输出结果：
//数组的地址：0x70fe00 16进制描述的内存地址

如果要得到数组第一个位置的数据，则需要使用*运算符。

int num[5]={4,1,8,2,6};
cout<<"数组中的第一个位置的数据："<<*num<<endl;
//数组中的第一个位置的数据：4

除了使用*运算符，还可以使用[下标]语法。两者语法上有差异，但是语义是一样的。可以认为[下标]访问语法是指针访问语法的简化版。

int num[5]={4,1,8,2,6};
cout<<"数组中的第一个位置的数据："<<num[0]<<endl;
//数组中的第一个位置的数据：4

如果要访问其它位置的数据，可以通过移动指针实现。

Tip： num+1可以让指针移到数组的下一个变量位置。这里的1具体移动多少，由创建数组时指定的数据类型决定，如本文数组是 int类型，1便是移动 4 字节。

int num[5]={4,1,8,2,6};
cout<<"数组中第二个位置的数据："<<*(num+1)<<endl;
//数组中第二个位置的数据：1

当然，完全可以使用[下标]替代。

int num[5]={4,1,8,2,6};
cout<<"数组中第二个位置的数据："<<num[1]<<endl;

指针是C++语言的一大特色，能够让开发者直接操作内存地址（属于直接硬件操作），正因为此原因，编译器无法干涉，所以指针移动的范围只受限于物理内存大小的影响。如下代码能正常运行。

int num[5]={4,1,8,2,6};
//完全超界，但人家就是能运行 ，指针的手能伸到天涯海角
for(int i=0;i<1000000;i++){
	cout<<*(num+i)<<endl;
}

了解指针的特性后，也就不会奇怪为什么访问数组时能够越界。使用指针时务必谨慎，需要靠个人行为对之约束。

2.2.5 小结

通过静态创建语法创建的数组，称为静态数组，其特点如下：

• 在编译时，就需要为数组指定大小，或说数组大小在编码时就必须给定。
• 静态创建数组时不能使用 auto关键字。

//错误语法
auto  num[5];

• 数组名中保存有数组大小的信息。如下代码可以获取到数组长度。

int num[10];
//sizeof得到num实际占用的内存空间，以字节为单位
int len=sizeof(num)/4;
cout<<len;
//输出：10

• 静态数组的数据保存在栈中，在编译期间进行空间分配，在生命周期结束后自动回收。

2.2 动态创建

动态创建：指数组的大小可以在运行时动态指定，除此之外，和静态创建的底层区别在于存储位置的不同，动态创建的数组的数据存储在堆中。

堆的特点：

• 开发者可以根据自己的需要提出空间使用申请。
• 当空间不再需要时，开发者需要手动释放空间。

先看一下创建语法：

int *num=new int[10];

代码解释：

• num是指针变量，用来保存数组的首地址。
• new是运算符，其作用是在堆中开辟空间，并把空间的首地址返回。
• int[10]，指开辟空间的大小，以及保存什么类型的数据。

num是首地址，也是数组中第一个位置的地址。

int *num=new int[10];
//初始化第一个位置的数据
*num=10;
cout<<"第一个位置的数据:"<<*num<<endl;

如下通过对整个数组进行初始化：

int *num=new int[10];
for(int i=0; i<10; i++) {
	*(num+i)=i*10;
}
for(int i=0; i<10; i++) {
	cout<<*(num+i)<<endl;
}

输出结果：

0
10
20
30
40
50
60
70
80
90

同样可以使用[下标]语法结构，对访问数组。

int *num=new int[10];
for(int i=0; i<10; i++) {
	num[i]=i*10;
}
for(int i=0; i<10; i++) {
	cout<<num[i]<<endl;
}

动态数组可以在运行时改变数组的大小。静态创建方式是一锤定音的买卖，一旦确定后，就不能再改变。如下代码是正确的。

int *num=new int[10];
num=new int[20];

正因为动态数组的动态性，无法通过代码获得它的长度。

int *num=new int[10];
cout<<sizeof(num)/4<<endl; 
//输出结果：2，并不是数组的长度。

当动态数组的使命结束后，开发者需要使用 delete运算符手动释放数组所占用的空间。

int *num=new int[10];
//delete num;语法上可行，会产生不确定行为
delete [] num;

这里要注意，如果不加[]，语法上是没有问题的，但是，会有不确定的因素存在，所以！请务必加[]。

3. 数组性能分析

得益于数组内存结构的连续性，只要知道数据的位置，便能快速访问到。查询时间度复杂度可以达到O（1）。在查询类的应用场景下，数组存储方案应该成为首选。

当在数组中插入数据时，需要把数据向后移动为插入的数据挪出位置，且需要在创建数组时预留足够多的空间，否则会有数据丢失的风险。

//最后一位为预留位置
int num[10]= {1,2,3,4,5,6,7,8,9,0};
for(int i=0; i<10; i++) {
	cout<<num[i]<<"\t";
}
cout<<endl;
int newNum=0;
int pos=0;
cout<<"请输入要插入的数据："<<endl;
cin>>newNum;
cout<<"请输入要插入的位置："<<endl;
cin>>pos;
//从插入位置的数据向后移动
for(int i=9; i>pos-1; i--) {
	num[i]=num[i-1];
}
num[pos-1]=newNum;
for(int i=0; i<10; i++) {
	cout<<num[i]<<"\t";
}

运行结果：

1       2       3       4       5       6       7       8       9       0
请输入要插入的数据：
13
请输入要插入的位置：
5
1       2       3       4       13      5       6       7       8       9

删除数据时，需要把数据删除位置之后的数据向删除位置移动（向前）。

int num[10]= {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
for(int i=0; i<10; i++) {
	cout<<num[i]<<"\t";
}
cout<<endl;
int pos=0;
cout<<"请输入要删除的位置："<<endl;
cin>>pos;
//从插入位置的数据向前移动
for(int i=pos-1; pos<8; i++) {
	num[i]=num[i+1];
}
 //最后一位补 0
num[9]=0;
for(int i=0; i<10; i++) {
	cout<<num[i]<<"\t";
}

运行结果：

1       2       3       4       5       6       7       8       9       10
请输入要删除的位置：
4
1       2       3       5       6       7       8       9       10      0

在数组中插入、删除数据的时间复杂度为O（n）。

在频繁需要插入、删除的应用场景下，可以选择比数组性能更好的链表。

本文介绍了数组的 2 种创建方式，并对数组的操作性能做了简单的分析。数组遍历时是通过底层的指针移动来实现的。指针是C系列语言的一大特点，是一把双刃剑，用的好能御敌千里之外，用的不好！bug满天飞。