C/C++教程
C 高级编程day04 多维数组与结构体强化
文章目录
- 一、多维数组
- 1.一维数组
- 1.1 数组名
- 1.2 指针和数组是等价的吗？
- 1.3 下标的引用
- 1.4 数组下标可以为负值吗
- 1.5 数组和指针
- 1.6 作为函数参数的数组名
- 2.多维数组
- 2.1 二维数组的初始化
- 2.2 二维数组名
- 2.3 二维数组的3种形式参数
- 3.总结
- 3.1 编程提示
- 3.2 内容总结
- 二、结构体
- 1.结构体基础知识
- 1.1结构体类型的定义
- 1.2 结构体变量的定义
- 1.3 结构体变量的初始化
- 1.4 结构体成员的使用
- 1.5 结构体赋值
- 1.5.1 赋值基本概念
- 1.5.1 深拷贝和浅拷贝
- 1.6 结构体数组
- 2 结构体嵌套指针
- 2.1 结构体嵌套一级指针
- 2.2 结构体嵌套二级指针
- 3.结构体成员偏移量
- 4.结构体字节对齐
- 4.1 内存对齐
- 4.1.1 内存对齐原因
- 4.1.2 如何内存对齐
- 结构体对齐原则：
- 手动设置对齐模数:
- 4.2 内存对齐案例
- 5.快速计算结构体的内存
- 三、总结
- 1 .一维数组名
- 2. 数组指针的定义方式
- 3 二维数组名
- 4 指针数组排序
- 5 结构体基本概念
- 6 结构体深浅拷贝
- 7 结构体嵌套一级指针练习
一、多维数组
1.一维数组
元素类型角度：数组是相同类型的变量的有序集合
内存角度：连续的一大片内存空间
在讨论多维数组之前，我们还需要学习很多关于一维数组的知识。首先让我们学习一个概念。
1.1 数组名
考虑下面这些声明：
int a; int b[10];
我们把a称作标量，因为它是个单一的值，这个变量是的类型是一个整数。我们把b称作数组，因为它是一些值的集合。下标和数名一起使用，用于标识该集合中某个特定的值。例如，b[0]表示数组b的第1个值，b[4]表示第5个值。每个值都是一个特定的标量。
那么问题是b的类型是什么？它所表示的又是什么？一个合乎逻辑的答案是它表示整个数组，但事实并非如此。在C中，在几乎所有数组名的表达式中，数组名的值是一个指针常量，也就是数组第一个元素的地址。它的类型取决于数组元素的类型：如果他们是int类型，那么数组名的类型就是“指向int的常量指针”；如果它们是其他类型，那么数组名的类型也就是“指向其他类型的常量指针”。
1.2 指针和数组是等价的吗？
答案是否定的。数组名在表达式中使用的时候，编译器才会产生一个指针常量。那么数组在什么情况下不能作为指针常量呢？在以下两种场景下：
（1）当数组名作为sizeof操作符的操作数的时候，此时sizeof返回的是整个数组的长度，而不是指针数组指针的长度。
（2）当数组名作为&操作符的操作数的时候，此时返回的是一个指向数组的指针，而不是指向某个数组元素的指针常量。对数组名取地址时，得到的是一个数组指针，步长是数组的长度。
void test_1()
{
int arr[5]={1,2,3,4,5};
printf("sizeof(arr)=%d\n",sizeof(arr));
//printf("&arr type is %s\n",typeid(&arr));
printf("&arr = %d\n",&arr);
printf("&arr+1 = %d\n",&arr+1);
}
1.3 下标的引用
int arr[] = { 1, 2, 3, 4, 5};
*(arr + 3) ,这个表达式是什么意思呢？
首先，我们说数组在表达式中是一个指向整型的指针，所以此表达式表示arr指针向后移动了3个元素的长度。然后通过间接访问操作符从这个新地址开始获取这个位置的值。这个和下标的引用的执行过程完全相同。所以如下表达式是等同的：
*(arr + 3) arr[3]
1.4 数组下标可以为负值吗
int arr[5]={1,2,3,4,5};
int *p = arr+3;
printf("*p=%d\n",*p);
printf("*(p-1)=%d\n",*(p-1));
printf("p[-1]=%d\n",p[-1]);
数组的下标可以为负值，那么是用下标还是指针来操作数组呢？对于大部分人而言，下标的可读性会强一些。
1.5 数组和指针
指针和数组并不是相等的。为了说明这个概念，请考虑下面两个声明：
int a[10]; int *b;
（1）声明一个数组时，编译器根据声明所指定的元素数量为数组分配内存空间，然后再创建数组名，指向这段空间的起始位置。
（2）声明一个指针变量的时候，编译器只为指针本身分配内存空间，并不为任何整型值分配内存空间，指针并未初始化指向任何现有的内存空间。
（3）因此，表达式 * a 是完全合法的，但是表达式*b却是非法的。*b将访问内存中一个不确定的位置，将会导致程序终止。另一方面b++可以通过编译，a++（a=a+1）却不行，因为a是一个常量值，指向了数组占用的空间的起始位置，这个空间确定了，这个起始的位置就确定了，所以a 是个常量。
1.6 作为函数参数的数组名
当一个数组名作为一个参数传递给一个函数的时候发生什么情况呢？
我们现在知道 数组名其实就是一个指向数组第1个元素的指针，所以很明白此时传递给函数的是一份指针的拷贝。所以函数的形参实际上是一个指针。但是为了使程序员新手容易上手一些，编译器也接受数组形式的函数形参。因此下面两种函数原型是相等的：
int print_array(int *arr); int print_array(int arr[]);
我们可以使用任何一种声明，但哪一个更准确一些呢？答案是指针。因为实参实际上是个指针，而不是数组。
同样 将arr传给了被调用函数后，在被调用函数中sizeof arr值是指针的长度，而不是数组的长度。
现在我们清楚了，为什么一维数组中无须写明它的元素数目了，因为形参只是一个指针，并不需要为数组参数分配内存。另一方面，这种方式使得函数无法知道数组的长度。如果函数需要知道数组的长度，它必须显式传递一个长度参数给函数。
2.多维数组
如果某个数组的维数不止1个，它就被称为多维数组。接下来的案例讲解以二维数组举例。
2.1 二维数组的初始化
一般有三种方式：
（1）int arr1[3][3] = {
{ 1, 2, 3 },
{ 4, 5, 6 },
{ 7, 8, 9 }
};
（2）int arr2[3][3] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 };
（3）int arr3[][3] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 };
2.2 二维数组名
一维数组名的值是一个指针常量，它的类型是“指向元素类型的指针”，它指向数组的第1个元素。多维数组也是同理，多维数组的数组名也是指向第一个元素，只不过第一个元素是一个数组,或者说二维数组的数组名指向的是第一行的元素。例如：
int arr[3][10]
可以理解为这是一个一维数组，包含了3个元素，只是每个元素恰好是包含了10个元素的数组。arr就表示指向它的第1个元素的指针，所以arr是一个指向了包含了10个整型元素的数组的指针。
2.3 二维数组的3种形式参数
//二维数组的第一种形式
void PrintArray01(int arr[3][3]){
for (int i = 0; i < 3; i++){
for (int j = 0; j < 3; j++){
printf("arr[%d][%d]:%d\n", i, j, arr[i][j]);
}
}
}
//二维数组的第二种形式
void PrintArray02(int arr[][3]){
for (int i = 0; i < 3; i++){
for (int j = 0; j < 3; j++){
printf("arr[%d][%d]:%d\n", i, j, arr[i][j]);
}
}
}
//二维数组的第二种形式
void PrintArray03(int(*arr)[3]){
for (int i = 0; i < 3; i++){
for (int j = 0; j < 3; j++){
printf("arr[%d][%d]:%d\n", i, j, arr[i][j]);
}
}
}
void test(){
int arr[][3] = {
{ 1, 2, 3 },
{ 4, 5, 6 },
{ 7, 8, 9 }
};
PrintArray01(arr);
PrintArray02(arr);
PrintArray03(arr);
}
3.总结
3.1 编程提示
源代码的可读性几乎总是比程序的运行时效率更为重要
只要有可能，函数的指针形参都应该声明为const
在多维数组的初始值列表中使用完整的多层花括号提高可读性
3.2 内容总结
在绝大多数表达式中，数组名的值是指向数组第1个元素的指针。这个规则只有两个例外，sizeof和对数组名&。
指针和数组并不相等。当我们声明一个数组的时候，同时也分配了内存。但是声明指针的时候，只分配容纳指针本身的空间。
当数组名作为函数参数时，实际传递给函数的是一个指向数组第1个元素的指针。
我们不单可以创建指向普通变量的指针，也可创建指向数组的指针。
二、结构体
1.结构体基础知识
1.1结构体类型的定义
struct Person{
char name[64];
int age;
};
typedef struct _PERSON{
char name[64];
int age;
}Person;
注意：声明结构体类型时不要直接给成员赋值，结构体只是一个类型，编译器还没有为其分配空间，只有根据其类型定义变量时，才分配空间，有空间后才能赋值。
1.2 结构体变量的定义
struct Person{
char name[64];
int age;
}p1; //定义类型同时定义变量
struct{
char name[64];
int age;
}p2; //定义类型同时定义变量
struct Person p3; //通过类型直接定义
1.3 结构体变量的初始化
struct Person{
char name[64];
int age;
}p1 = {"john",10}; //定义类型同时初始化变量
struct{
char name[64];
int age;
}p2 = {"Obama",30}; //定义类型同时初始化变量
struct Person p3 = {"Edward",33}; //通过类型直接定义
1.4 结构体成员的使用
struct Person{
char name[64];
int age;
};
void test(){
//在栈上分配空间
struct Person p1;
strcpy(p1.name, "John");
p1.age = 30;
//如果是普通变量，通过点运算符操作结构体成员
printf("Name:%s Age:%d\n", p1.name, p1.age);
//在堆上分配空间
struct Person* p2 = (struct Person*)malloc(sizeof(struct Person));
strcpy(p2->name, "Obama");
p2->age = 33;
//如果是指针变量，通过->操作结构体成员
printf("Name:%s Age:%d\n", p2->name, p2->age);
}
1.5 结构体赋值
1.5.1 赋值基本概念
相同的两个结构体变量可以相互赋值，把一个结构体变量的值拷贝给另一个结构体，这两个变量还是两个独立的变量。
struct Person{
char name[64];
int age;
};
void test(){
//在栈上分配空间
struct Person p1 = { "John" , 30};
struct Person p2 = { "Obama", 33 };
printf("Name:%s Age:%d\n", p1.name, p1.age);
printf("Name:%s Age:%d\n", p2.name, p2.age);
//将p2的值赋值给p1
p1 = p2;
printf("Name:%s Age:%d\n", p1.name, p1.age);
printf("Name:%s Age:%d\n", p2.name, p2.age);
}
1.5.1 深拷贝和浅拷贝
//一个老师有N个学生
typedef struct _TEACHER{
char* name;
}Teacher;
void test(){
Teacher t1;
t1.name = malloc(64);
strcpy(t1.name , "John");
Teacher t2;
t2 = t1;
//对手动开辟的内存，需要手动拷贝
t2.name = malloc(64);
strcpy(t2.name, t1.name);
if (t1.name != NULL){
free(t1.name);
t1.name = NULL;
}
if (t2.name != NULL){
free(t2.name);
t1.name = NULL;
}
}
1.6 结构体数组
struct Person{
char name[64];
int age;
};
void test(){
//在栈上分配空间
struct Person p1[3] = {
{ "John", 30 },
{ "Obama", 33 },
{ "Edward", 25}
};
struct Person p2[3] = { "John", 30, "Obama", 33, "Edward", 25 };
for (int i = 0; i < 3;i ++){
printf("Name:%s Age:%d\n",p1[i].name,p1[i].age);
}
printf("-----------------\n");
for (int i = 0; i < 3; i++){
printf("Name:%s Age:%d\n", p2[i].name, p2[i].age);
}
printf("-----------------\n");
//在堆上分配结构体数组
struct Person* p3 = (struct Person*)malloc(sizeof(struct Person) * 3);
for (int i = 0; i < 3;i++){
sprintf(p3[i].name, "Name_%d", i + 1);
p3[i].age = 20 + i;
}
for (int i = 0; i < 3; i++){
printf("Name:%s Age:%d\n", p3[i].name, p3[i].age);
}
}
2 结构体嵌套指针
2.1 结构体嵌套一级指针
struct Person{
char* name;
int age;
};
void allocate_memory(struct Person** person){
if (person == NULL){
return;
}
struct Person* temp = (struct Person*)malloc(sizeof(struct Person));
if (temp == NULL){
return;
}
//给name指针分配内存
temp->name = (char*)malloc(sizeof(char)* 64);
strcpy(temp->name, "John");
temp->age = 100;
*person = temp;
}
void print_person(struct Person* person){
printf("Name:%s Age:%d\n",person->name,person->age);
}
void free_memory(struct Person** person){
if (person == NULL){
return;
}
struct Person* temp = *person;
if (temp->name != NULL){
free(temp->name);
temp->name = NULL;
}
free(temp);
}
void test(){
struct Person* p = NULL;
allocate_memory(&p);
print_person(p);
free_memory(&p);
}
2.2 结构体嵌套二级指针
//一个老师有N个学生
typedef struct _TEACHER{
char name[64];
char** students;
}Teacher;
void create_teacher(Teacher** teacher,int n,int m){
if (teacher == NULL){
return;
}
//创建老师数组
Teacher* teachers = (Teacher*)malloc(sizeof(Teacher)* n);
if (teachers == NULL){
return;
}
//给每一个老师分配学生
int num = 0;
for (int i = 0; i < n; i ++){
sprintf(teachers[i].name, "老师_%d", i + 1);
teachers[i].students = (char**)malloc(sizeof(char*) * m);
for (int j = 0; j < m;j++){
teachers[i].students[j] = malloc(64);
sprintf(teachers[i].students[j], "学生_%d", num + 1);
num++;
}
}
*teacher = teachers;
}
void print_teacher(Teacher* teacher,int n,int m){
for (int i = 0; i < n; i ++){
printf("%s:\n", teacher[i].name);
for (int j = 0; j < m;j++){
printf(" %s",teacher[i].students[j]);
}
printf("\n");
}
}
void free_memory(Teacher** teacher,int n,int m){
if (teacher == NULL){
return;
}
Teacher* temp = *teacher;
for (int i = 0; i < n; i ++){
for (int j = 0; j < m;j ++){
free(temp[i].students[j]);
temp[i].students[j] = NULL;
}
free(temp[i].students);
temp[i].students = NULL;
}
free(temp);
}
void test(){
Teacher* p = NULL;
create_teacher(&p,2,3);
print_teacher(p, 2, 3);
free_memory(&p,2,3);
}
3.结构体成员偏移量
//一旦结构体定义下来，则结构体中的成员内存布局就定下了
#include <stddef.h>
struct Teacher
{
char a;
int b;
};
void test01(){
struct Teacher t1;
struct Teacher*p = &t1;
int offsize1 = (int)&(p->b) - (int)p; //成员b 相对于结构体 Teacher的偏移量
int offsize2 = offsetof(struct Teacher, b);
printf("offsize1:%d \n", offsize1); //打印b属性对于首地址的偏移量
printf("offsize2:%d \n", offsize2);
}
4.结构体字节对齐
在用sizeof运算符求算某结构体所占空间时，并不是简单地将结构体中所有元素各自占的空间相加，这里涉及到内存字节对齐的问题。
从理论上讲，对于任何变量的访问都可以从任何地址开始访问，但是事实上不是如此，实际上访问特定类型的变量只能在特定的地址访问，这就需要各个变量在空间上按一定的规则排列， 而不是简单地顺序排列，这就是内存对齐。
4.1 内存对齐
4.1.1 内存对齐原因
我们知道内存的最小单元是一个字节，当cpu从内存中读取数据的时候，是一个一个字节读取，所以内存对我们应该是入下图这样：
但是实际上cpu将内存当成多个块，每次从内存中读取一个块，这个块的大小可能是2、4、8、16等，
那么下面，我们来分析下非内存对齐和内存对齐的优缺点在哪？
内存对齐是操作系统为了提高访问内存的策略。操作系统在访问内存的时候，每次读取一定长度(这个长度是操作系统默认的对齐数，或者默认对齐数的整数倍)。如果没有对齐，为了访问一个变量可能产生二次访问。
至此大家应该能够简单明白，为什么要简单内存对齐？
（1）提高存取数据的速度。比如有的平台每次都是从偶地址处读取数据，对于一个int型的变量，若从偶地址单元处存放，则只需一个读取周期即可读取该变量；但是若从奇地址单元处存放，则需要2个读取周期读取该变量。
（2）某些平台只能在特定的地址处访问特定类型的数据，否则抛出硬件异常给操作系统。
4.1.2 如何内存对齐
（1）对于标准数据类型，它的地址只要是它的长度的整数倍。
（2）对于非标准数据类型，比如结构体，要遵循一下对齐原则：
结构体对齐原则：
1）. 数组成员对齐规则。第一个数组成员应该放在offset为0的地方，以后每个数组成员应该放在offset为min（当前成员的大小，#pargama pack(n)）整数倍的地方开始（比如int在32位机器为４字节，#pargama pack(2)，那么从2的倍数地方开始存储）。
2）. 结构体总的大小，也就是sizeof的结果，必须是 min（结构体内部最大成员，#pargama pack(n)） 的整数倍（在结构体内部最大成员，#pargama pack(n)里，取小值），不足要补齐。
3）. 结构体做为成员的对齐规则。如果一个结构体B里嵌套另一个结构体A,还是以最大成员类型的大小对齐，但是结构体A的起点为A内部最大成员的整数倍的地方。（struct B里存有struct A，A里有char，int，double等成员，那A应该从8的整数倍开始存储。），结构体A中的成员的对齐规则仍满足原则1、原则2。
手动设置对齐模数:
（1）#pragma pack(show)
显示当前packing alignment的字节数，以warning message的形式被显示。
（2）#pragma pack(push)
将当前指定的packing alignment数组进行压栈操作，这里的栈是the internal compiler stack,同事设置当前的packing alignment为n；如果n没有指定，则将当前的packing alignment数组压栈。
（3）#pragma pack(pop)
从internal compiler stack中删除最顶端的reaord; 如果没有指定n,则当前栈顶record即为新的packing alignement数值；如果指定了n，则n成为新的packing alignment值
（4） #pragma pack(n)
指定packing的数值，以字节为单位，缺省数值是8，合法的数值分别是1,2,4,8,16。
4.2 内存对齐案例
#pragma pack(4)
typedef struct _STUDENT{
int a;
char b;
double c;
float d;
}Student;
typedef struct _STUDENT2{
char a;
Student b;
double c;
}Student2;
void test01(){
//Student
//a从偏移量0位置开始存储
//b从4位置开始存储
//c从8位置开始存储
//d从12位置开存储
//所以Student内部对齐之后的大小为20 ，整体对齐，整体为最大类型的整数倍 也就是8的整数倍 为24
printf("sizeof Student:%d\n",sizeof(Student));
//Student2
//a从偏移量为0位置开始
//b从偏移量为Student内部最大成员整数倍开始，也就是8开始
//c从8的整数倍地方开始,也就是32开始
//所以结构体Sutdnet2内部对齐之后的大小为：40 ， 由于结构体中最大成员为8，必须为8的整数倍 所以大小为40
printf("sizeof Student2:%d\n", sizeof(Student2));
}
5.快速计算结构体的内存
在前面的文章里面，有我自己理解的方法，这个方法不一定完全正确，但是到目前没有出现错误。下面的这篇文章是我自己整理，那篇文章中的标题 2.4 结构体的大小和内存结构，写有如何计算结构体的方法，这里就不赘述了。
https://blog.csdn.net/qq_43403759/article/details/121341964
三、总结
1 .一维数组名
1.1 除了两种特殊情况外，都是指向数组第一个元素的指针
1.1.1 特殊情况1 sizeof 统计数组长度
1.1.2 特殊情况2 对数组名取地址，数组指针，步长整个数组长度
1.2 数组名是指针常量，指针的指向不可以修改的，而指针指向的值可以改
1.3 传参数时候，int arr[] 可读性更高
1.4 数组索引下标可以为负数
2. 数组指针的定义方式
2.1 先定义出数组类型，再通过类型定义数组指针变量
2.1.1 typedef int(ARRARY_TYPE)[5];//ARRARY_TYPE 代表存放5个int类型元素的数组 的数组类型
2.2 先定义数组指针类型，再通过类型定义数组指针变量
2.2.1 typedef int(ARRARY_TYPE)[5];
2.3 直接定义数组指针变量
2.3.1 int( p )[5] = &arr;
3 二维数组名
3.1 二维数组名 除了两种特殊情况外，是指向第一个一维数组的 数组指针
3.2 两种特殊情况
3.2.1 sizeof 统计二维数组大小
3.2.2 对数组名称取地址 int(*p)[3][3] = &arr
3.3 二维数组做函数参数
3.3.1 //void printArray(int (*array)[3], int row, int col)
3.3.2 //void printArray(int array[][3], int row ,int col)
3.3.3 void printArray(int array[3][3], int row ,int col) 可读性比较高
3.4 数组指针 和 指针数组？
3.4.1 数组指针： 指向数组的指针
3.4.2 指针数组： 由指针组成数组
4 指针数组排序
4.1 选择排序
4.1.1 例如从小到大
4.1.2 开始认定最小值下标为i，从j = i+1的位置起找真实最小值下标，如果计算的真实最小值下标与i不等，互换元素
4.2 利用选择排序实现 指针数组 从大到小排序
4.2.1 字符串对比
4.2.2 if ( strcmp(pArr[max],pArr[j]) == -1)
5 结构体基本概念
5.1 加typedef 可以给结构体起别名
5.2 不加typedef ，可以直接创建一个结构体变量
5.3 结构体声明 可以是匿名
5.4 在栈上创建和在堆区创建结构体
5.5 在栈上和堆区创建结构体变量数组
6 结构体深浅拷贝
6.1 系统提供的赋值操作是 浅拷贝 – 简单值拷贝，逐字节拷贝
6.2 如果结构体中有属性 创建在堆区，就会出现问题，在释放期间，一段内存重复释放，一段内存泄露
6.3 解决方案：自己手动去做赋值操作，提供深拷贝
7 结构体嵌套一级指针练习
7.1 在堆区创建一个 结构体指针数组
7.1.1 malloc(sizeof(struct Person *) *3 )
7.2 在堆区创建出结构体变量
7.2.1 malloc(sizeof(struct Person))
7.3 在堆区创建出具体姓名
7.3.1 malloc(sizeof(char )*64)；
7.4 打印数据
7.5 释放数组
-
Mycat教程：新手快速入门指南11-20
-
WebSocket入门：轻松掌握WebSocket基础11-20
-
WebSocket入门指南：轻松搭建实时通信应用11-19
-
Nacos安装资料详解：新手入门教程11-19
-
Nacos安装资料：新手入门教程11-19
-
升级 Gerrit 时有哪些注意事项？-icode9专业技术文章分享11-19
-
pnpm是什么？-icode9专业技术文章分享11-19
-
将文件或目录压缩并保留到指定的固定目录怎么实现？-icode9专业技术文章分享11-19
-
使用 tar 命令压缩文件并且过滤掉某些特定的目录？-icode9专业技术文章分享11-19
-
Nacos安装入门教程11-18
-
Nacos安装入门：轻松掌握Nacos服务注册与配置管理11-18
-
Nacos配置中心入门：新手必读教程11-18
-
Nacos配置中心入门教程11-18
-
RocketMQ IM和业务服务沟通入门教程11-18
-
Rocketmq安装入门11-18
