C++中的数组与指针

在大多数C++书籍或教程中，数组和指针的知识总是放在一起让大家学习，这是为什么，它们之间有什么联系呢？

在C++中，数组与指针有着紧密的联系，主要体现在下面几个方面：

1、数组名即指针：

本质联系：在大多数情况下，数组名会被隐式转换为指向数组第一个元素的指针。

例如，对于一个数组 int arr[5];，表达式 arr 的值是数组第一个元素的地址（等价于 &arr[0]），其类型是指向 int 类型的指针 (int*)。

这意味着可以像使用指针一样来使用数组名进行地址运算。

int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int *ptr = arr; // 这里将数组名arr赋值给指针ptr，ptr指向arr[0]
for (int i = 0; i < 5; i++) {
    std::cout << *(ptr + i) << " "; // 通过指针ptr访问数组元素，等价于arr[i]
}

2、通过指针访问数组元素：

相似的访问方式：通过指针的算术运算，可以像访问数组元素一样访问内存中的数据。

对指针进行加法运算（如 ptr + n），会根据指针指向的数据类型，移动相应字节数。

这与通过数组下标访问数组元素（如 arr[n]）在原理上是相似的。

实际上，arr[n] 这种形式在编译器内部就是按照 *(arr + n) 来处理的。

指针运算原理

在 C++ 中，当对指针进行算术运算时，编译器会根据指针所指向的数据类型自动调整偏移量。

例如，对于int*类型的指针，ptr + 1实际上是将指针ptr的地址增加了sizeof(int)个字节。

在C++代码中，ptr是int*类型，当我们写ptr + 2时，它已经自动按照int类型的大小进行了偏移。

int类型在我们的计算机环境中是 4 字节，所以ptr + 2实际上是将ptr的地址增加了2 * sizeof(int)（即 8 字节）

例如，*(arr + i) 等价于 arr[i]，表示数组中第 i 个元素。

int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int *ptr = arr;
// 以下两种方式访问数组元素效果相同
std::cout << arr[2] << " ";
std::cout << *(ptr + 2) << " ";

3、动态数组与指针：

动态内存分配：在 C++ 中，使用 new 运算符动态分配数组内存时，会返回一个指向分配内存首地址的指针。

例如，int *dynArr = new int[10]; 分配了一个包含 10 个 int 类型元素的动态数组，dynArr 就是一个指向该数组首元素的指针。

动态数组的释放也依赖于指针，使用 delete[] dynArr; 来释放通过 new[] 分配的内存。

int *dynArr = new int[10];
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    dynArr[i] = i; // 像访问普通数组一样访问动态数组
}
// 使用完后释放动态数组
delete[] dynArr;

4、函数参数传递：

数组参数的退化：当数组作为函数参数传递时，数组会退化为指针。

例如，函数声明 void func(int arr[10]) 和 void func(int *arr) 是等价的，编译器都将其视为 void func(int *arr)。这意味着在函数内部，无法直接获取数组的长度，需要额外传递数组长度信息。

void printArray(int *arr, int size) {
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        std::cout << arr[i] << " ";
    }
}
int main() {
    int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    printArray(arr, 5);
    return 0;
}

5、内存布局：

数组在内存中是连续存储的，而指针可以用来遍历这些连续的内存块。
理解这一点有助于编写高效的代码，尤其是在处理大量数据时。

6、指针数组与数组指针

指针数组：是一个数组，数组中的每个元素都是指针。例如，int ptrArr[5]; 定义了一个指针数组，数组中有 5 个 int 类型的指针。常用于管理多个动态分配的数组或对象。

数组指针：是一个指针，它指向一个数组。例如，int (*arrPtr)[5]; 定义了一个指向包含 5 个 int 元素数组的指针。在处理二维数组时，数组指针会很有用，因为二维数组本质上是数组的数组。

// 指针数组
int *ptrArr[5];
for (int i = 0; i < 5; i++) {
    ptrArr[i] = new int(i);
}
// 数组指针
int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int (*arrPtr)[5] = &arr;

为什么一起学习？

概念一致性：数组和指针的概念密切相关，一起学习可以帮助理解它们之间的内在联系，避免混淆。

实际应用：很多实际编程场景中，数组和指针常常结合使用，如字符串处理、动态内存管理等。

提高效率：理解数组和指针的关系有助于编写更高效、更灵活的代码，特别是在底层编程或性能关键的应用中。

通过同时学习数组和指针，可以更好地掌握C++的内存管理和数据操作机制，为更复杂的编程任务打下坚实的基础。