C++数组入门

在C++编程中，数组作为一种基本的数据结构，扮演着不可或缺的角色。无论是处理简单的数据存储，还是实现复杂的算法，数组都提供了一种高效且直观的方式来管理和操作数据。对于每一个学习C++的程序员来说，理解数组的原理、使用方法以及它与内存管理的关系，都是迈向更高级编程技巧的重要一步。

在这篇博客中，我们将深入探讨C++数组的各个方面，从基本的定义和初始化，到内存布局与指针的结合使用。通过这些内容，你将不仅能够掌握如何在C++中正确地使用数组，还能理解背后更深层次的内存管理机制。这些知识将帮助你编写更高效、更健壮的C++代码。

类与结构体中的默认访问控制

• 类 (class) 中的成员变量: 默认情况下，类中的所有成员变量和成员函数的访问控制权限都是 private。这意味着它们只能被类内部的成员函数或者友元函数访问，外部无法直接访问这些成员。

• 结构体 (struct) 中的成员变量: 默认情况下，结构体中的所有成员变量和成员函数的访问控制权限都是 public。这意味着它们可以被外部直接访问，结构体在这方面与类有着不同的默认行为。

数组概述

• 数组索引从0开始: 在C++中，数组的索引是从0开始的，这意味着第一个元素的索引是0，第二个元素的索引是1，依此类推。如果数组的大小是 n，那么最后一个元素的索引是 n-1。

• 打印数组: 当你尝试直接打印一个数组时，输出的是数组的首地址（即第一个元素的地址），而不是数组中的元素。数组名本身就是一个指向数组第一个元素的指针，所以打印数组名等价于打印数组的首地址。

数组与 for 循环的关系

• 常与 for 循环搭配使用: 数组通常与 for 循环搭配使用，这样可以方便地对数组中的每个元素进行操作。通过循环遍历数组的索引，可以对数组进行初始化、修改或读取。
  

内存布局与指针

• 连续内存块: 数组在内存中是一块连续的存储空间，每个元素紧邻地存放在一起。这种布局使得数组的访问非常高效，因为通过数组名和索引计算，CPU可以迅速找到对应的内存位置。

• 指针与数组: 由于数组的内存是连续的，可以很方便地通过指针来操作数组。数组名实际上是一个指向数组第一个元素的指针，因此可以通过指针偏移来访问数组中的任意元素。这种特性使得数组和指针在C++中密不可分，很多低级操作都依赖于此。
  

动态内存管理

• 使用 new 申请内存: 当需要在运行时动态分配数组时，可以使用 new 运算符。这会在堆（heap）上分配一块连续的内存用于存储数组。由于堆内存的生命周期不受函数调用的限制，因此分配的内存不会在函数结束时自动释放。

• 释放内存: 动态分配的内存必须由程序员显式释放，使用 delete 运算符来避免内存泄漏。对于数组，需要使用 delete[] 来释放内存，这样可以确保数组的每个元素都得到正确的销毁。
  

数组指针与地址存储

• 数组指针的赋值: 当创建一个数组并将其赋值给一个指针时，这个指针实际上指向的是数组的首地址，而不是数组中的具体数值。通过这个指针，可以访问数组中的每个元素。由于数组名是一个指向数组第一个元素的指针，所以在需要传递数组时，通常传递的是数组的指针。
• 
  

提前声明数组的大小

#include <iostream>class Entity {
public:static const int exampleSize = 5;  // 声明并初始化静态常量int example[exampleSize];          // 使用静态常量声明数组// 构造函数Entity() {for (int i = 0; i < exampleSize; i++) {example[i] = 2;            // 初始化数组元素}}
};int main() {Entity entity;for (int i = 0; i < Entity::exampleSize; i++) {std::cout << entity.example[i] << " ";}return 0;
}

代码解释

1. 静态常量声明:
   static const int exampleSize = 5; 声明了一个静态常量 exampleSize，它用于定义数组的大小。

2. 数组声明:
   int example[exampleSize]; 使用 exampleSize 来定义数组的大小。由于 exampleSize 是静态常量，所以在编译时是已知的，可以用来定义数组的大小。

3. 构造函数:
   构造函数 Entity() 中的循环用来初始化数组 example 中的每一个元素为 2。

4. 打印数组内容:
   在 main 函数中，我们创建了一个 Entity 对象，并通过循环输出数组 example 的每一个元素。

在类中使用 const int exampleSize = 5 和 static const int exampleSize = 5 都是合法的，但它们的语义和作用范围不同。

const int exampleSize = 5;

• 非静态成员常量: 如果你只写 const int exampleSize = 5;，这个常量是类的每个实例（对象）都有一份拷贝。这意味着如果你创建多个 Entity 对象，每个对象都持有自己的一份 exampleSize。
• 内存开销: 如果有很多对象实例化，尽管 exampleSize 不变，但每个实例都会有一份拷贝，这可能会稍微增加内存开销（虽然这是微不足道的，除非有大量实例）。
• 用法限制: 你无法在类外部通过 Entity::exampleSize 直接访问该常量，因为它属于对象的实例。

static const int exampleSize = 5;

• 静态成员常量: 使用 static const 表明这个常量属于类本身，而不是某个实例。所有的实例共享这一个常量。
• 内存优化: 由于这个常量是静态的，所有实例共享一份内存，这在有大量实例时可以节省内存。
• 全局访问: 你可以通过 Entity::exampleSize 直接访问这个常量，而无需创建 Entity 的实例。这在某些情况下会更方便。

选择使用哪种方式

• 使用 static const: 如果这个常量在所有实例之间不变，且需要被所有实例共享，推荐使用 static const。
• 使用 const: 如果你希望每个实例都有自己独立的常量值，或者这个常量和实例的某些特性强相关，可以使用非静态 const。

对于数组大小这种场景，通常会使用 static const，因为数组大小通常是类级别的常量，并不需要每个对象都持有一份拷贝。

std::array 创建数组

#include <iostream>
#include <array>  // 需要包含 <array> 头文件class Entity {
public:static const int exampleSize = 5;  // 声明并初始化静态常量int example[exampleSize];          // 使用静态常量声明数组std::array<int, 5> another;        // 使用 std::array 声明另一个数组// 构造函数Entity() {for (int i = 0; i < another.size(); i++) {example[i] = 2;            // 初始化 example 数组元素another[i] = 2;            // 初始化 another 数组元素}}
};int main() {Entity entity;// 打印 example 数组内容for (int i = 0; i < Entity::exampleSize; i++) {std::cout << entity.example[i] << " ";}std::cout << std::endl;// 打印 another 数组内容for (int i = 0; i < entity.another.size(); i++) {std::cout << entity.another[i] << " ";}return 0;
}

代码解释

1. 引入 <array> 头文件:
   因为你使用了 std::array，所以必须包含 <array> 头文件。

2. 静态常量 exampleSize:
   static const int exampleSize = 5; 用来定义数组的大小，同时也在定义 example 数组时使用。

3. 数组声明:

   • int example[exampleSize]; 是一个普通的C++数组。
   • std::array<int, 5> another; 是一个固定大小为5的标准库数组，具有更丰富的功能和更安全的边界检查。

4. 构造函数:
   构造函数中使用循环来初始化 example 和 another 数组中的每一个元素为 2。注意这里 another.size() 返回数组的大小，而 exampleSize 也是5，所以两个数组的大小是一致的。

5. 打印数组内容:
   main 函数中，分别打印了 example 和 another 数组的内容。

小结

通过这种方式，你同时使用了普通C++数组和std::array，其中std::array提供了更多的功能和类型安全。在实践中，如果你需要一个固定大小的数组并且希望有更多的函数支持（如size()），std::array 通常是更好的选择。