數(shù)組簡介

數(shù)組是我們編程中經(jīng)常遇到的一個類型量愧。多維數(shù)組是如何在內(nèi)存中存儲的呢？數(shù)組名到底代表什么呢溃槐？

數(shù)組是相同類型數(shù)據(jù)的一個集合匣砖，在內(nèi)存中連續(xù)存儲。

數(shù)組可以有一維昏滴、二維猴鲫、三維甚至更多維。多維的概念是存在于C/C++語言層面谣殊，對于編譯后的匯編和二進制拂共，只有一維的概念。

一維數(shù)組

一維數(shù)組使用如下形式進行定義：

data_type array_name[array_size]

比如

int scores[4]; 

定義一個數(shù)組姻几，該數(shù)組的每個元素的類型的是int, 該數(shù)組一共有4個元素匣缘。

當(dāng)然了，我們也可以在定義的時候給定初始值

int scores[4] = {90, 95, 99, 89};

這時候四個值在內(nèi)存中的排布為：

1d-array.png

那如果我們沒有給定足夠的值呢鲜棠？比如

int scores[4] = {90, 95};

這時候后面兩個元素的值是啥肌厨？

其實這時候，后面兩個值會被填充0豁陆，得到的值為

1d-array-pad.png

我們可以寫一個簡單的小程序分析一下

// maian.cpp
int main()
{
    int scores[4] = {90, 95};
    return 0;
}

然后用clang++ -S main.cpp生成匯編柑爸，我們看一下生成的匯編

1d-array-main.png

這里我們不會詳細(xì)介紹x86匯編，只介紹一點我們需要用到的匯編的盒音。

moveq src, dst 

也就是x86匯編里面表鳍，源在前面，目標(biāo)在后面祥诽。

a(%register)

表示register的值加上a這個偏移量指向的地址譬圣。所以上面

movq %rax, -24(%rbp)

相當(dāng)于*(rbp - 24) = rax。

如果源是常數(shù)雄坪，那么直接使用一個90```就表示常數(shù)90。

如果我們把數(shù)組的大小變大一點维哈，比如下面的代碼

int main()
{
    int scores[40] = {90, 95};
    return 0;
}

反匯編我們可以看到

1d-array-main-2.jpg

那也許有的人會問绳姨，是不是默認(rèn)就會清零？我們也可以驗證一下阔挠，把代碼修改為

int main()
{
    int scores[40];
    return 0;
}

反匯編我們可以看到

1d-array-main-3.jpg

從匯編代碼我們可以看到是完全沒有默認(rèn)清零的飘庄。

最后值得一提的是，如果我們有初始值购撼，也可以不指定數(shù)組大小跪削，系統(tǒng)會根據(jù)初始值計算出大小谴仙。

int main()
{
    int scores[] = {95,98,99,100};
    return 0;
}

系統(tǒng)會自動根據(jù)初始值推斷出scores數(shù)組大小為4。

二維和多維數(shù)組

二維數(shù)組可如如下定義

data_type array_name[size_1][size_2];

比如

int scores[2][4];

三維以及多維數(shù)組的定義類似

data_type array_name[size_1][size_2]...[size_n];

比如三維數(shù)組可以定義為

int scores[2][3][4];

跟一維數(shù)組一樣碾盐，多維數(shù)組也可以在定義的時候給定初值

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

它在內(nèi)存中的排布為

2d-array.png

我們給定下面一段代碼

int main()
{
    int scores[2][2][3] = {
        {{1,2,3},{4,5,6}},
        {{7,8,9},{10,11,12}}
      };
    scores[1][1][0] =  95;
    
    return 0;
}

反匯編的代碼如下

2d-array-as-1d.jpg

從上面反匯編我們可以很容易看出狞甚，編譯之后并沒有多維的概念，都是一維的廓旬，多維的概念只存在于語言層面哼审。但是，這并不影響我們按照概念使用孕豹。從上面的匯編更多可以容易看出多維數(shù)組的值是怎么排布的涩盾。

可變大小的數(shù)組

可變大小數(shù)組也被稱為運行時大小數(shù)組。不同于在定義的時候指定常量大小励背，可變大小數(shù)組可以根據(jù)參數(shù)來定義大小春霍。

比如

void f(int size)
{
   int scores[size];
   ...
}

這樣我們就可以在運行時根據(jù)需要傳入需要的大小來分配數(shù)組。

可變大小數(shù)組是C99標(biāo)準(zhǔn)里面的叶眉，所以C語言程序如果標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為C99以及以上是一定可以使用的址儒。但是C++11之前是一定不支持可變大小數(shù)組的，C++11中提及數(shù)組大小的時候也說size是一個常量表達式衅疙，那么也就說明C++11從標(biāo)準(zhǔn)里面也是不支持可變大小數(shù)組的莲趣。但是GCC和Clang提供了擴展來支持可變大小數(shù)組，所以上面的代碼使用GCC和Clang是可以編譯的饱溢。

這里面就有兩個問題需要我們注意：

1. 可變參數(shù)數(shù)組是一個很好的特性喧伞，但是如果我們想要代碼可移植性強，最好不要在C++中使用它绩郎。當(dāng)然了潘鲫，純C程序可以放心使用；
2. C++并不是C的嚴(yán)格超集肋杖，C中的一些東西在C++中是不能使用的溉仑。

數(shù)組元素的訪問

常見的用數(shù)組名加上下標(biāo)訪問的方式我們已經(jīng)見過了，就是類似

int a[3]  ={};
a[2] = 10;

但是在有的地方我們可以看見如下寫法

2[a] = 11

這種寫法是很不常見的状植，只是作為一種語法進行說明浊竟。更多的是a[-1]這種寫法，其中a是一個指針浅萧。這里不詳細(xì)說明逐沙，后面在聊指針和內(nèi)存的時候會詳細(xì)說明哲思。

我們有下面一段代碼

int main()
{
    int a[3] = {};
    a[2] = 10;
    1[a] = 11;
    
    return 0;
}

這段代碼是完全可以編譯和運行的洼畅，在執(zhí)行到return 0;的時候，a[0]=0, a[1]=11, a[2]=10棚赔。從反匯編我們也可以看一下

array-ele-access.jpg

我們可以看到無論是a[2]還是1[a]最后都是基指(也就是rbp寄存器的值)加上一個偏移量帝簇。其實t[b]可以認(rèn)為都是*(t+b)徘郭，所以t和b哪一個是數(shù)組名，哪一個是偏移量并沒有關(guān)系丧肴。

數(shù)組類型

對一個多維數(shù)組残揉，每一維的類型到底是什么？

為了解答這個問題芋浮，我們首先寫一個打印類型的工具函數(shù)

template <typename T>
void print_type()
{
#if _MSC_VER
    const char *sig = __FUNCSIG__;
    printf("%s\n", sig);
    return;
#else
    constexpr int skip_begin = 23;
    constexpr int skip_end = 1;
    const char* sig = __PRETTY_FUNCTION__;
#endif
    char *result = new char[strlen(sig) - skip_begin - skip_end + 1]{};
    memcpy(result, sig+skip_begin, strlen(sig) - skip_begin - skip_end);

    printf("%s\n", result);
}

這個函數(shù)主要使用函數(shù)的簽名中含有參數(shù)名的原理來提取我們的類型名抱环，比如print_type<int>()可以得到

void print_type() [T = int]

這里面是不是就有類型int名在里面，我們?nèi)サ?code>int前面的字符串和后面的]就可以得到最終的類型纸巷。這就是上面函數(shù)的原理镇草。

手上沒有Visual Studio，所以Windows版本并沒有調(diào)試skip_begin和skip_end的值瘤旨，需要的人可以自行調(diào)試梯啤。Clang版本是測試過的，值為上面的23和1存哲，可以直接使用因宇。

我們現(xiàn)在可以寫個小程序打印不同維度的類型：

int main()
{
    int scores[2][3][4];
    
    print_type<decltype(&scores)>();
    print_type<decltype(scores)>();
    print_type<decltype(scores[0])>();
    print_type<decltype(scores[0][0])>();
    print_type<decltype(scores[0][0][0])>();
    
    return 0;
}

可以得到如下輸出

int (*)[2][3][4]
int[2][3][4]
int (&)[3][4]
int (&)[4]
int &

也就是說

• 對數(shù)組名取地址，得到的是一個指向數(shù)組類型的指針類型祟偷；
• 數(shù)組的類型就是數(shù)組定義中去掉數(shù)組名之后得到的類型察滑；
• 數(shù)組的第一維元素是第二維和第三維組成的數(shù)組；
• 數(shù)組的第二維元素是一個一維數(shù)組修肠；
• 數(shù)組的第三維元素是一個整形杭棵。

另外，數(shù)組的第一維氛赐、第二維魂爪、第三維都是常規(guī)的引用類型，所以在類型里面都有&艰管。

這里有一個有意思的小問題就跟類型息息相關(guān)：v的地址假設(shè)是a滓侍，那么v+1的地址用a表示是多少？

比如我們假設(shè)&scores的地址值是a牲芋，那么&scores+1的地址值是多少撩笆？

首先我們需要知道，對于地址的加減法缸浦，中1的量綱是夕冲。也就是1的大小用字節(jié)表示是所指對象的大小。

&scores+1中的1用字節(jié)表示就是

所以&scores+1的地址用a表示就是裂逐。

同理我們可以計算scores + 1歹鱼，&scores[0] + 1, &scores[0][0]+1, &scores[0][0][0]+1的地址的值。

復(fù)合字面量

經(jīng)常我們都會提到C++是C的超集卜高，C中可以用的C++都可以弥姻。但是今天我們就可以遇到第二個在兩門語言中表現(xiàn)不一樣的：復(fù)合字面量南片。

我們上面的多維數(shù)組是規(guī)則的，那我們?nèi)绻胍粋€二維數(shù)組庭敦，它的每個維度的大小不一樣疼进，是可以實現(xiàn)的嗎？

答案是當(dāng)然可以秧廉，而且方法不止一種伞广。

第一種常規(guī)的就是數(shù)組的成員是指針，然后讓指針指向不同大小的內(nèi)存疼电；

第二種方法就是使用復(fù)合字面量赔癌。那什么事復(fù)合字面量呢？這也是一個C99標(biāo)準(zhǔn)里面的東西澜沟。簡單來說

(int [2]){1,2}; 

就是一個復(fù)合字面量灾票。

我們可以使用復(fù)合字面量得到一個大小不同的數(shù)組

int main()
{
    int (*scores[]) = {
        (int[]){1,2},
        (int[]){3,4,5},
        (int[]){6, 7, 8, 9}
    };
    
    return 0;
}

這部分代碼，在Xcode中使用main.c是這樣的

var-array-c.jpg

在main.cpp就成了

var-array-cpp.jpg

本質(zhì)上這是一個C99的標(biāo)準(zhǔn)而不是一個C++的標(biāo)準(zhǔn)茫虽。在C++中的時候也需要謹(jǐn)慎謹(jǐn)慎再謹(jǐn)慎刊苍。

數(shù)組的分享就到這里了，還有一部分濒析，比如數(shù)組名是左值還是右值正什，需要分享了對應(yīng)的概念之后我們再回頭來討論。

更多文章及時發(fā)布在公眾號“探知軒”号杏，歡迎關(guān)注更及時看到文章婴氮。