C++数组详解：一维和多维数组的定义、初始化、访问与遍历

1. 引言

数组是C++中最基础的数据结构之一，用于存储相同类型的元素的集合。它提供了高效的内存访问方式，适用于需要快速查找和遍历数据的场景。本文将全面介绍：

• 一维数组的定义、初始化与遍历
• 多维数组（如二维数组）的定义与使用
• 数组的常见操作与应用场景
• 数组与指针的关系
• C++11/17引入的现代数组特性（如std::array）

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2. 一维数组

2.1 定义与声明

一维数组是线性存储的数据结构，所有元素在内存中连续排列。

语法

数据类型 数组名[数组长度];  // 静态数组

• 数据类型：可以是 int、double、char 等。
• 数组长度：必须是编译期常量（C++11后可用 constexpr）。

示例：定义一个包含5个整数的数组

int numbers[5];  // 未初始化，值随机

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2.2 初始化

数组可以在定义时初始化，也可以后续赋值。

方式1：直接初始化

int arr1[3] = {1, 2, 3};  // 完全初始化
int arr2[5] = {1, 2};      // 部分初始化，剩余元素为0
int arr3[] = {1, 2, 3};    // 自动推导长度为3

方式2：循环赋值

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    numbers[i] = i * 2;
}

C++11统一初始化

int arr4[]{1, 2, 3};  // 省略等号

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2.3 访问元素

通过下标运算符 [] 访问，索引从 0 开始。

示例：读写数组元素

int first = arr1[0];  // 读取第一个元素
arr1[1] = 99;         // 修改第二个元素

越界风险

C++不检查数组越界，访问 arr[5]（长度为5时）会导致未定义行为（UB）。

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2.4 遍历数组

方法1：传统for循环

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

方法2：范围for循环（C++11）

for (int num : numbers) {
    cout << num << " ";
}

示例：计算数组元素和

int sum = 0;
for (int i = 0; i < 5; i++) {
    sum += numbers[i];
}
cout << "Sum: " << sum << endl;

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3. 多维数组

3.1 二维数组的定义

二维数组是“数组的数组”，常用于表示矩阵或表格。

语法

数据类型 数组名[行数][列数];

示例：定义一个3x3矩阵

int matrix[3][3];

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3.2 初始化多维数组

方式1：逐行初始化

int matrix[2][3] = {
    {1, 2, 3},  // 第一行
    {4, 5, 6}   // 第二行
};

方式2：扁平化初始化

int matrix[2][3] = {1, 2, 3, 4, 5, 6};  // 按内存顺序

部分初始化

int matrix[2][3] = {{1}, {4}};  // 其余元素为0

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3.3 访问与遍历

嵌套for循环遍历

for (int i = 0; i < 2; i++) {
    for (int j = 0; j < 3; j++) {
        cout << matrix[i][j] << " ";
    }
    cout << endl;
}

示例：矩阵乘法

int a[2][3] = {{1, 2, 3}, {4, 5, 6}};
int b[3][2] = {{7, 8}, {9, 10}, {11, 12}};
int result[2][2] = {0};

for (int i = 0; i < 2; i++) {
    for (int j = 0; j < 2; j++) {
        for (int k = 0; k < 3; k++) {
            result[i][j] += a[i][k] * b[k][j];
        }
    }
}

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4. 数组与指针

4.1 数组名的本质

数组名是首元素的地址（指针常量）：

int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int *ptr = arr;  // 等价于 &arr[0]

指针算术访问数组

cout << *(ptr + 2);  // 输出arr[2]

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4.2 数组作为函数参数

数组传递时会退化为指针，需额外传递长度。

值传递（实际是指针传递）

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

引用传递（C++）

void printArray(int (&arr)[5]) {  // 必须指定长度
    for (int num : arr) {
        cout << num << " ";
    }
}

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5. 现代C++数组（std::array）

5.1 std::array 的优势

• 固定大小：编译期确定长度。
• 边界检查：通过 at() 方法检查越界。
• 支持迭代器：兼容STL算法。

定义与初始化

#include <array>
std::array<int, 5> arr = {1, 2, 3, 4, 5};

安全访问

cout << arr.at(2);  // 越界时抛出std::out_of_range

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6. 应用场景

6.1 一维数组应用

• 统计数据分析：计算平均值、最大值。
• 排序算法：实现冒泡排序、快速排序。

// 冒泡排序示例
void bubbleSort(int arr[], int n) {
    for (int i = 0; i < n-1; i++) {
        for (int j = 0; j < n-i-1; j++) {
            if (arr[j] > arr[j+1]) {
                swap(arr[j], arr[j+1]);
            }
        }
    }
}

6.2 多维数组应用

• 图像处理：像素矩阵操作。
• 游戏开发：地图网格表示。

// 迷宫路径查找（简化版）
bool findPath(int maze[5][5], int x, int y) {
    if (x < 0 || y < 0 || x >= 5 || y >= 5 || maze[x][y] == 1) {
        return false;
    }
    maze[x][y] = 1;  // 标记已访问
    return findPath(maze, x+1, y) || findPath(maze, x, y+1);
}

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7. 总结与最佳实践

7.1 关键点总结

特性	一维数组	多维数组	std::array
定义	int arr[5];	int arr[3][3];	std::array<int,5> arr;
初始化	{1,2,3}	{{1,2},{3,4}}	={1,2,3}
越界检查	无	无	at() 方法
推荐场景	简单数据集合	矩阵/表格	需要安全性和STL集成

7.2 最佳实践

1. 优先使用 std::array：比原生数组更安全。
2. 避免越界：手动检查索引，或使用 at()。
3. 传递数组时附带长度：防止函数内越界。
4. 多维数组的内存布局：按行存储，遍历时优先考虑缓存局部性。

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8. 结语

数组是C++中最基础且高效的数据结构，适用于各种场景。本文详细介绍了：

• 一维和多维数组的定义、初始化与遍历
• 数组与指针的关系
• 现代C++的 std::array 用法
• 实际应用案例（排序、矩阵运算）

下一步学习：探索动态数组（std::vector）和更复杂的容器（如 std::map）。