前端学习C语言 - 数组和字节序

数组

本篇主要介绍：一维二维数组、字符数组、数组名和初始化注意点以及字节序。

一维数组

初始化

有以下几种方式对数组初始化：

// 定义一个有5个元素的数组，未初始化
int a[5];

// 定义一个有5个元素的数组，将第一个初始化0，后面几个元素默认初始化为0
int a[5] = {0};

// 定义一个有5个元素的数组，5个元素都初始化为：2,3,4,5,6
int a[5] = {2, 3, 4, 5, 6};

// 【推荐】
// 和上一种在功能上是相同的。编译器会根据初始化列表中的元素个数（5个）自动确定数组a的大小为5
int a[] = {2,3,4,5,6};

Tip：以上写法创建的数组都是不可变大小的。

练习1

题目：int a[5] = {1}，请问 a 的每个值是多少？

#include <stdio.h>
int main() {
    // 将第一个初始化1，后面几个元素默认初始化为0
    int a[5] = {1};
    int i;
    for (i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d ", a[i]);
    }
    return 0;
}

输出：1 0 0 0 0。

在C和C++中，当我们创建数组时，如果没有为数组的所有元素提供初始值，那么剩下未被初始化指定初始值的元素会被默认初始化。对于基本数据类型（如int、float、double等），默认情况下，未初始化的元素将被设置为0

练习2

题目：如果不对 a[5] 进行初始化，将输出什么？

#include <stdio.h>
int main() {
 -  int a[5] = {1};
 +  int a[5];
    int i;
    for (i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d\n", a[i]);
    }
    return 0;
}

输出随机数：

开始运行...

4198784
0
4198464
0
-2014700240

运行结束。

练习3

题目：如果将int a[5]; 提到全局作用于中，输出什么？

#include <stdio.h>
int a[5];
int main() {
    int i;
    for(i =  0; i <  5; i++){
         printf("%d ", a[i]);
     }
    return  0;
}

输出: 0 0 0 0 0

练习4

题目：这段代码有什么错误？

#include <stdio.h>

int main() {
    int i = 10;
    int a[i] = {0};

    return 0;
}

运行：

开始运行...

# 不允许初始化可变大小的对象。即 i 是可变的。
/workspace/CProject-test/main.c:5:11: error: variable-sized object may not be initialized
    int a[i] = {0};
          ^
1 error generated.

运行结束。

结论：数组长度不能是变量。

如果换成 #define 常量 还有问题吗？

#include <stdio.h>
#define i 10
int main() {
    // int i = 10;
    int a[i] = {0};
    return 0;
}

如果换成 #define 常量就正常，前面我们知道 #define 是文本替换。

数组名

题目：定义一个数组a，请问 a、&a[0]、&a的含义是什么？

#include <stdio.h>

int  main() {
    int a[5] ={1};

    printf("%p\n", a); 
    printf("%p\n", &a[0]);
    printf("%p\n", &a);
  
    printf("-----\n");

    printf("%p\n", a +  1);
    printf("%p\n", &a[0] +  1);
    printf("%p\n", &a +  1);
    return  0;
}

运行：

开始运行...

0x7ffdfb131f00
0x7ffdfb131f00
0x7ffdfb131f00
-----
0x7ffdfb131f04
0x7ffdfb131f04
0x7ffdfb131f14

运行结束。

Tip: printf 中的 %p 打印的就是内存地址。内存地址通常以十六进制形式表示。

上半部分都是输出的都是 0x7ffdfb131f00。

但下半部分加1后，结果明显不同。其中：

• 0x7ffdfb131f04 - 0x7ffdfb131f00 = 0x4，转为十进制是4，一个 int 就是4个字节
• 0x7ffdfb131f14 - 0x7ffdfb131f00 = 0x14，转为十进制数是20，刚好是数组 a 的字节数（5*4）

结论：

• a - 数组名。表示首元素的地址，加 1 是加一个元素（比如这里4个字节）
• &a[0] - 表示首元素地址，加 1 是加一个元素（比如这里4个字节）
• &a - 表示整个数组。加1相当于跨越了整个数组

冒泡排序

之前我们写过冒泡排序的例子，我们将该示例用 C 语言重写如下(函数部分后文会讲)：

#include <stdio.h>
  
void bubbleSort(int arr[], int n) {
    // 比较轮数，每轮都会将一个值冒泡到正确的位置
    for (int i = 0; i < n; i++) {             // 第i轮冒泡
        for (int j = 0; j < n - i - 1; j++) { // 第i轮冒泡需要比较n-i-1次
            // 出界则为 false，不会交换
            if (arr[j] > arr[j + 1]) {
                int temp = arr[j];
                arr[j] = arr[j + 1];
                arr[j + 1] = temp;
            }
        }
    }
}
  
int main() {
    int arr[] = {4, 3, 2, 1};
    // 计算数组长度。sizeof(arr) - 返回数据类型或变量所占内存大小（字节）；arr[0] - 一个元素的字节数。
    int length = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
    bubbleSort(arr, length);
    // 输出
    for (int i = 0; i < length; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    return 0;
}
// Output: 1 2 3 4

字节序

字节序（Byte Order）是指在存储和表示多字节数据时，字节的顺序排列方式。

思考这样一个问题

int a[5] 有5个元素，每个元素4个字节，在内存中是一块连续的空间。表示如下：

索引	a[0]	a[1]	a[2]	a[3]	a[4]
地址	0x100	0x104	0x108	0x10C	0x110

我们可以将a[0]称作低地址，a[4]称作高地址。a数组中每个元素的四个字节，最左侧字节称作低地址，最右侧字节称作高地址。就像这样：

低地址			高地址
________	________	________	________

数组 a 中每个元素中是一个整数，比如 a[0] = 1，在内存中是4个字节，共32位，其二进制表示为：00000000 00000000 00000000 00000001。最左侧是高字节，最右侧是低字节，就像这样:

高字节			低字节
00000000	00000000	00000000	00000001

请问 1 的高字节(00000000)放在低地址还是高地址？

大端序和小端序

不同的计算机架构和处理器采用不同的字节序（Byte Order）。常见的字节序有两种：

• 大端序（Big Endian），低字节对应高地址，高字节对应低地址。1 对应 00000000  00000000  00000000  00000001
• 小端序（Little Endian），低字节对应低地址，高字节对应高地址。1 对应 00000001  00000000  00000000  00000000

	低地址			高地址
大端序	00000000	00000000	00000000	00000001
小端序	00000001	00000000	00000000	00000000

Tip: 不同字节序的选择涉及到如何组织和解释二进制数据。字节序的重要性体现在跨平台数据交互和网络通信上。如果两个设备使用不同的字节序，就需要进行适当的数据转换才能正确解读和处理数据

二维数组

可以理解成一维数组中每个元素又是一个一维数组。例如 a[3][4] 就像这样：

	0	1	2	3
0 行
1 行
2 行

a[0]、a[1]、a[2]，每一行就是一个一维数组。

初始化

有多种方式进行二维数组的初始化，效果也不尽相同。请看示例：

• int a[3][4]; 未初始化，数组 a 中都是随机值。请看示例：

#include <stdio.h>
  
int main() {
    int a[3][4];
  
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        for (int j = 0; j < 4; j++) {
            printf("%d ", a[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }
  
    return 0;
}

输出：

开始运行...

-1833069321 32764 4198917 0 
0 0 0 0 
4198848 0 4198464 0 

运行结束。

• 部分初始化。示例如下：

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

• 全部初始化。示例如下：

// 输出：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
int a[3][4] = {{1, 2, 3, 4}, {5, 6, 7, 8}, {9, 10, 11, 12}};

// 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 
// 此种写法不能保证所有编译器
int a[3][4] = {}

• 行数可以省略。以下两行代码等效：

int a[3][4] = {{1, 2, 3, 4}, {5, 6, 7, 8}, {9, 10, 11, 12}};
  
// 省略行。类似一维数组中省略元素个数。
int a[][4] = {{1, 2, 3, 4}, {5, 6, 7, 8}, {9, 10, 11, 12}};

数组名

题目：定义一个二维数组a，请问 &a[0][0]、a、&a[0]、&a的含义是什么？

#include <stdio.h>
  
int main() {
    int a[3][4];
  
    printf("%p\n", &a[0][0]); 
    printf("%p\n", a); 
    printf("%p\n", a[0]); 
    printf("%p\n", &a); 
  
    printf("-----\n");
  
    printf("%p\n", &a[0][0] + 1);
    printf("%p\n", a + 1);
    printf("%p\n", a[0] + 1);
    printf("%p\n", &a + 1);
  
    return 0;
}

输出：

开始运行...

0x7fffadc7d310
0x7fffadc7d310
0x7fffadc7d310
0x7fffadc7d310
-----
0x7fffadc7d314
0x7fffadc7d320
0x7fffadc7d314
0x7fffadc7d340

运行结束。

上半部分都是输出的都是 0x7fffadc7d310。

下半部分每个加1，差异就显现出来。

0x7fffadc7d314 - 0x7fffadc7d310 = 0x4，转为十进制是4个字节
&a[0][0] + 1

0x7fffadc7d320 - 0x7fffadc7d310 = 0x10，转为十进制是16个字节，每个元素是4个字节，也就是4(16/4)个元素，表示一行
a + 1

0x7fffadc7d314 - 0x7fffadc7d310 = 0x4，转为十进制是4个字节
a[0] + 1

0x7fffadc7d340 - 0x7fffadc7d310 = 0x30，转为十进制是48个字节，每个元素是4个字节，也就是 12(48/4)个元素，表示整个数组
&a + 1

结论：

• &a[0][0] - 首行首元素地址，加 1 是加一个元素（比如这里4个字节）
• a - 地址名，表示首行地址，加 1 就是加一行
• a[0] - 首行首元素地址，加 1 是加一个元素（比如这里4个字节）
• &a - 表示整个数组。加1相当于跨越了一个数组

练习

题目：数组 a[3][4]，哪个不能表示a[1][1]的地址?

A、a[1] + 1
B、&a[1][1]
C、(*(a + 1)) + 1
D、a + 5

答案：D。

分析：根据上文学习，我们知道 A和B能表示，其中D是加5行，肯定错。C由于没学指针，暂时不管。

字符数组

在 C 语言中，字符串可以用字符数组来表示，即用一个数组来保存一串字符，每个字符用一个字节来存储，末尾有一个特殊的空字符 '\0' 来表示字符串的结束。

#include <stdio.h>
  
int main() {
    char str[] = {'h', 'e', 'l', 'l', 'o', '\0'};
    printf("%s", str);
  
    return 0;
}

在字符数组的初始化末尾一定要添加空字符 '\0'（笔者使用的在线编辑器没报错），否则在使用字符串函数处理字符串时，可能会出现意外的错误。也可以将上面的代码简化为以下形式：

char str[] = "hello";

这样就可以不用手动添加空字符了，编译器会自动为字符串添加结尾的空字符。

练习

题目：在输入的字符串中，在指定位置插入指定字符

实现：

#include <stdio.h>
// string.h 是 C 语言中的头文件，用于提供一些字符串处理操作的函数和宏定义
#include <string.h>
  
void insertChar(char str[], int pos, char ch) {
    // 获取字符串的长度
    int len = strlen(str);
  
    // 检查插入位置是否有效
    if (pos < 0 || pos > len)
        return;
  
    // 将指定位置后的字符往后移动一位
    for (int i = len; i >= pos; i--) {
        str[i + 1] = str[i];
    }
  
    // 在指定位置插入字符
    str[pos] = ch;
}
  
int main() {
    char str[100];
    int pos;
    char ch;
  
    printf("请输入字符串。例如 hello world：\n");
    scanf("%[^\n]", str);
    printf("请输入要插入的位置：");
    scanf("%d", &pos);
    printf("请输入要插入的字符：");
    scanf(" %c", &ch);
  
    insertChar(str, pos, ch);
  
    printf("\n修改后的字符串：%s\n", str);
  
    return 0;
}

运行：

开始运行...

请输入字符串。例如 hello world：
a-b-c d e-f-g
请输入要插入的位置：4
请输入要插入的字符：x

修改后的字符串：a-b-xc d e-f-g

运行结束。