18.数组进阶

约 2372 字大约 8 分钟

2025-02-05

一、开场：探索数组的进阶领域

标题：进阶数组探秘 - 多维数组与字符数组的奇妙世界

副标题：拓展数组知识，提升编程实力

引入方式：展示一个城市地图，地图上有不同的街区，每个街区又包含多个建筑物。提问学生，如果用数组来存储城市中每个街区的建筑物数量，简单的一维数组难以清晰呈现，引出多维数组的概念，它能像地图一样，以更复杂的结构组织数据。接着展示一段文本内容，提问如何存储和处理这些文字信息，从而引入字符数组。

配图：选择城市地图和一段文字的图片，或者用简单的示意图展示多维数组和字符数组的存储结构，让学生对即将学习的内容有初步直观感受。

二、多维数组详解

多维数组的概念

讲解多维数组是数组的数组，它可以看作是一种高维的数据结构，用于存储和处理具有多个维度的数据。以二维数组为例，它可以理解为一个表格，有行和列，每个元素通过两个下标来确定其位置；三维数组则可以看作是一个立体的空间，每个元素需要三个下标来定位。

举例说明，比如存储一个班级学生的多门课程成绩，就可以使用二维数组，第一维表示学生，第二维表示课程，这样就能方便地管理和查询每个学生的每门课程成绩。

二维数组的定义语法

数据类型 数组名[行数][列数];

数据类型：指定数组中元素的数据类型，与一维数组一样，可以是基本数据类型或自定义数据类型。

数组名：多维数组的标识符，用于在程序中引用该数组。

行数和列数：表示二维数组的大小，必须是常量表达式，确定了数组的行数和列数，即二维数组的维度。

二维数组的初始化

按行初始化：可以逐行对二维数组进行初始化，例如：

int matrix[2][3] = {
    {1, 2, 3},
    {4, 5, 6}
};

这里定义了一个 2 行 3 列的二维数组matrix，第一行元素为 1、2、3，第二行元素为 4、5、6。

2. 连续初始化：也可以按照数组在内存中的存储顺序进行连续初始化，例如：

int matrix[2][3] = {1, 2, 3, 4, 5, 6};

这种方式与按行初始化效果相同，但按行初始化更易读，便于理解数组元素的分布。

多维数组的访问

讲解多维数组通过多个下标来访问元素，对于二维数组，第一个下标表示行，第二个下标表示列。例如，对于二维数组int matrix[2][3]; ，matrix[0][0]表示第一行第一列的元素，matrix[1][2]表示第二行第三列的元素。

强调访问多维数组时，每个下标的范围都要正确，否则会导致数组越界错误。

代码示例 1：二维数组的操作

#include <iostream>

int main() {
    int matrix[2][3] = {
        {1, 2, 3},
        {4, 5, 6}
    };

    // 输出二维数组的所有元素
    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        for (int j = 0; j < 3; j++) {
            std::cout << "matrix[" << i << "][" << j << "] = " << matrix[i][j] << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }

    // 修改二维数组的元素
    matrix[1][1] = 100;
    std::cout << "修改后的matrix[1][1] = " << matrix[1][1] << std::endl;

    return 0;
}

分析代码：首先定义并初始化一个二维数组matrix，然后使用嵌套循环遍历并输出数组的所有元素，展示多维数组的访问方式。接着修改matrix[1][1]的值，再次输出，展示如何修改多维数组的元素。

多维数组的应用场景

图像处理：在处理图像时，图像可以看作是一个二维数组，每个元素表示一个像素点的颜色值。通过对二维数组的操作，可以实现图像的灰度化、二值化、滤波等处理。

矩阵运算：在数学中，矩阵是一种常见的二维数组结构，用于线性代数的计算，如矩阵乘法、矩阵转置等。通过多维数组可以方便地实现矩阵的存储和运算。

三、字符数组深入探究

字符数组的定义与初始化

定义语法：字符数组是用于存储字符数据的数组，定义方式与普通数组类似，例如：

char name[10];

这里定义了一个可以存储 10 个字符的字符数组name。

2. 初始化方式：

逐个字符初始化：可以逐个为字符数组的元素赋值，例如：

char greeting[5] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o'};

字符串初始化：也可以使用字符串常量来初始化字符数组，例如：

char greeting[6] = "Hello";

注意，使用字符串常量初始化时，编译器会自动在字符串末尾添加一个空字符'\0'，所以字符数组的大小要比字符串的实际长度大 1。

字符数组与字符串操作

字符串输入输出：使用cin和cout进行字符数组的输入输出时，cin遇到空格、制表符或换行符时会停止读取，例如：

#include <iostream>

int main() {
    char name\[20];
    std::cout << "请输入你的名字: ";
    std::cin >> name;
    std::cout << "你好, " << name << "!" << std::endl;
    return 0;
}

如果要读取包含空格的字符串，可以使用cin.getline()函数，例如：

#include <iostream>

int main() {
   char sentence\[50];
   std::cout << "请输入一句话: ";
   std::cin.getline(sentence, 50);
   std::cout << "你输入的是: " << sentence << std::endl;
   return 0;
}

字符串处理函数：C++ 标准库提供了一系列用于字符串处理的函数，包含在<cstring>头文件中。例如strlen()函数用于计算字符串的长度（不包括末尾的'\0'），strcpy()函数用于字符串复制，strcmp()函数用于字符串比较等。示例代码如下：

#include <iostream>
#include <cstring>
int main() {
   char str1\[20] = "Hello";
   char str2\[20];

   // 字符串复制
   std::strcpy(str2, str1);
   std::cout << "复制后的字符串: " << str2 << std::endl;
   // 字符串长度
   std::cout << "字符串长度: " << std::strlen(str1) << std::endl;
   // 字符串比较
   int result = std::strcmp(str1, "Hello");
   if (result == 0) {
       std::cout << "两个字符串相等" << std::endl;
   } else {
       std::cout << "两个字符串不相等" << std::endl;
   }
   return 0;
}

四、实践与巩固

练习题目

让学生编写一个程序，定义一个 3 行 4 列的二维数组，使用循环对数组进行初始化，每个元素的值为其行号和列号之和。然后再使用循环遍历数组，输出每个元素的值。

编写一个程序，定义一个字符数组，存储用户输入的一句话，统计其中字母、数字和其他字符的个数，并输出结果。

互动环节

开展小组合作，将学生分成小组共同完成练习题目。各小组完成后，进行小组间的代码互评，互相指出问题和优点，最后教师总结点评，对表现优秀的小组给予奖励，如编程书籍、学习卡等。

进行创意编程展示，教师给出一些生活中需要使用多维数组和字符数组的场景，如制作简单的棋盘游戏、文本加密解密等，让学生在规定时间内用所学知识编写代码实现，并邀请小组代表上台展示代码思路和运行效果，激发学生的创新思维和编程热情。

五、回顾与总结

总结

回顾多维数组的概念、定义语法、初始化方式和访问方法，强调多维数组在处理复杂数据结构时的作用。

总结字符数组的定义、初始化方式，以及字符数组与字符串的关系，讲解常用的字符串输入输出和处理函数。

对比一维数组、多维数组和字符数组的特点和适用场景，帮助学生更好地理解和运用不同类型的数组。