1. 数组的基本概念

数组(Array)也是一种复合数据类型,它由一系列相同类型的元素(Element)组成。例如定义一个由4个int型元素组成的数组count:

int count[4];

和结构体成员类似,数组count的4个元素的存储空间也是相邻的。结构体成员可以是基本数据类型,也可以是复合数据类型,数组中的元素也是如此。根据组合规则,我们可以定义一个由4个结构体元素组成的数组:

struct complex_struct {
	double x, y;
} a[4];

也可以定义一个包含数组成员的结构体:

struct {
	double x, y;
	int count[4];
} s;

数组类型的长度应该用一个整数常量表达式来指定[16]。数组中的元素通过下标(或者叫索引,Index)来访问。例如前面定义的由4个int型元素组成的数组count图示如下:

图 8.1. 数组count

数组count

整个数组占了4个int型的存储单元,存储单元用小方框表示,里面的数字是存储在这个单元中的数据(假设都是0),而框外面的数字是下标,这四个单元分别用count[0]count[1]count[2]count[3]来访问。注意,在定义数组int count[4];时,方括号(Bracket)中的数字4表示数组的长度,而在访问数组时,方括号中的数字表示访问数组的第几个元素。和我们平常数数不同,数组元素是从“第0个”开始数的,大多数编程语言都是这么规定的,所以计算机术语中有Zeroth这个词。这样规定使得访问数组元素非常方便,比如count数组中的每个元素占4个字节,则count[i]表示从数组开头跳过4*i个字节之后的那个存储单元。这种数组下标的表达式不仅可以表示存储单元中的值,也可以表示存储单元本身,也就是说可以做左值,因此以下语句都是正确的:

count[0] = 7;
count[1] = count[0] * 2;
++count[2];

到目前为止我们学习了五种后缀运算符:后缀++、后缀--、结构体取成员.、数组取下标[]、函数调用()。还学习了五种单目运算符(或者叫前缀运算符):前缀++、前缀--、正号+、负号-、逻辑非!。在C语言中后缀运算符的优先级最高,单目运算符的优先级仅次于后缀运算符,比其它运算符的优先级都高,所以上面举例的++count[2]应该看作对count[2]做前缀++运算。

数组下标也可以是表达式,但表达式的值必须是整型的。例如:

int i = 10;
count[i] = count[i+1];

使用数组下标不能超出数组的长度范围,这一点在使用变量做数组下标时尤其要注意。C编译器并不检查count[-1]或是count[100]这样的访问越界错误,编译时能顺利通过,所以属于运行时错误[17]。但有时候这种错误很隐蔽,发生访问越界时程序可能并不会立即崩溃,而执行到后面某个正确的语句时却有可能突然崩溃(在第 4 节 “段错误”我们会看到这样的例子)。所以从一开始写代码时就要小心避免出问题,事后依靠调试来解决问题的成本是很高的。

数组也可以像结构体一样初始化,未赋初值的元素也是用0来初始化,例如:

int count[4] = { 3, 2, };

count[0]等于3, count[1]等于2,后面两个元素等于0。如果定义数组的同时初始化它,也可以不指定数组的长度,例如:

int count[] = { 3, 2, 1, };

编译器会根据Initializer有三个元素确定数组的长度为3。利用C99的新特性也可以做Memberwise Initialization:

int count[4] = { [2] = 3 };

下面举一个完整的例子:

例 8.1. 定义和访问数组

#include <stdio.h>

int main(void)
{
	int count[4] = { 3, 2, }, i;

	for (i = 0; i < 4; i++)
		printf("count[%d]=%d\n", i, count[i]);
	return 0;
}

这个例子通过循环把数组中的每个元素依次访问一遍,在计算机术语中称为遍历(Traversal)。注意控制表达式i < 4,如果写成i <= 4就错了,因为count[4]是访问越界。

数组和结构体虽然有很多相似之处,但也有一个显著的不同:数组不能相互赋值或初始化。例如这样是错的:

int a[5] = { 4, 3, 2, 1 };
int b[5] = a;

相互赋值也是错的:

a = b;

既然不能相互赋值,也就不能用数组类型作为函数的参数或返回值。如果写出这样的函数定义:

void foo(int a[5])
{
	...
}

然后这样调用:

int array[5] = {0};
foo(array);

编译器也不会报错,但这样写并不是传一个数组类型参数的意思。对于数组类型有一条特殊规则:数组类型做右值使用时,自动转换成指向数组首元素的指针。所以上面的函数调用其实是传一个指针类型的参数,而不是数组类型的参数。接下来的几章里有的函数需要访问数组,我们就把数组定义为全局变量给函数访问,等以后讲了指针再使用传参的办法。这也解释了为什么数组类型不能相互赋值或初始化,例如上面提到的a = b这个表达式,ab都是数组类型的变量,但是b做右值使用,自动转换成指针类型,而左边仍然是数组类型,所以编译器报的错是error: incompatible types in assignment

习题

1、编写一个程序,定义两个类型和长度都相同的数组,将其中一个数组的所有元素拷贝给另一个。既然数组不能直接赋值,想想应该怎么实现。



[16] C99的新特性允许在数组长度表达式中使用变量,称为变长数组(VLA,Variable Length Array),VLA只能定义为局部变量而不能是全局变量,与VLA有关的语法规则比较复杂,而且很多编译器不支持这种新特性,不建议使用。

[17] 你可能会想为什么编译器对这么明显的错误都视而不见?理由一,这种错误并不总是显而易见的,在第 1 节 “指针的基本概念”会讲到通过指针而不是数组名来访问数组的情况,指针指向数组中的什么位置只有运行时才知道,编译时无法检查是否越界,而运行时每次访问数组元素都检查越界会严重影响性能,所以干脆不检查了;理由二,[C99 Rationale]指出C语言的设计精神是:相信每个C程序员都是高手,不要阻止程序员去干他们需要干的事,高手们使用count[-1]这种技巧其实并不少见,不应该当作错误。