詳解數組結構

一、數組的基本概念

數組是一種有序的數據結構，可以容納一組相同數據類型的元素。每個元素有一個唯一的索引（下標），可以通過下標來訪問數組的元素。數組一般分為一維和多維，也可以具有不同的數據類型。

/*
 *一維數組初始化及元素訪問示例代碼
 */
#include <stdio.h>

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

    for (i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d ", array[i]);
    }
    printf("\n");

    return 0;
}

二、數組的創建與初始化

創建數組時需要指定數組的類型，後跟空方括號和數組名稱，可以選擇指定數組的長度或者直接初始化數組。數組的初始化包括使用花括號括起來的初始值列表。也可以在創建數組後對數組進行賦值。

/*
 *創建數組並進行初始化示例代碼
 */
#include <stdio.h>

int main()
{
    int array1[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int array2[] = {6, 7, 8, 9, 10};
    int array3[5];
    array3[0] = 11;
    array3[1] = 12;
    array3[2] = 13;
    array3[3] = 14;
    array3[4] = 15;

    int i;

    for (i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d ", array1[i]);
    }
    printf("\n");

    for (i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d ", array2[i]);
    }
    printf("\n");

    for (i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d ", array3[i]);
    }
    printf("\n");

    return 0;
}

三、多維數組

多維數組可以看做是一維數組的擴展，可以使用兩個及以上的下標來訪問數組元素，也可以創建任意維度的數組，只需要在聲明時指定每一維的長度。

/*
 *二維數組基本操作示例代碼
 */
#include <stdio.h>

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

    printf("%d\n", array[1][0]);

    array[1][0] = 7;

    int i, j;
    for (i = 0; i < 3; i++) {
        for (j = 0; j < 2; j++) {
            printf("%d ", array[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }

    return 0;
}

四、指針與數組

數組和指針在內存中都是一段連續的存儲單元。數組名本身也是一個常量指針，指向數組的第一個元素。因此可以使用指針來訪問數組元素，可以將指針作為參數傳遞給函數，也可以動態分配數組。

/*
 *指針與數組操作示例代碼
 */
#include <stdio.h>

int main()
{
    int array[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int *ptr = array;
    int i;

    for (i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d ", ptr[i]);
    }
    printf("\n");

    ptr[2] = 8;

    for (i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d ", *(ptr + i));
    }
    printf("\n");

    return 0;
}

五、常見應用場景

數組結構在計算機科學中應用廣泛，特別是在數據結構、算法和操作系統等領域。以下是一些常見的應用場景。

1. 排序算法

使用數組可以輕鬆實現各種排序算法，例如冒泡排序、選擇排序、插入排序、歸併排序、快速排序等等。

/*
 *給定一個整數數組，使用冒泡排序將其從小到大排序
 */
#include <stdio.h>

void bubbleSort(int array[], int size);

int main()
{
    int array[] = {5, 3, 1, 4, 2};
    int size = sizeof(array) / sizeof(array[0]);
    bubbleSort(array, size);

    int i;
    for (i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", array[i]);
    }
    printf("\n");

    return 0;
}

void bubbleSort(int array[], int size)
{
    int i, j, temp;
    for (i = 0; i < size - 1; i++) {
        for (j = 0; j  array[j + 1]) {
                temp = array[j];
                array[j] = array[j + 1];
                array[j + 1] = temp;
            }
        }
    }
}

2. 二分查找

二分查找是一種高效的查找算法，需要在有序的數組中進行。該算法的基本思想是將有序數組均分成兩部分，如果查找目標小於中間值則在前半部分查找，否則在後半部分查找，直到找到目標為止。

/*
 *給定一個有序數組和目標數字，使用二分查找找到目標數字的下標，如果不存在則返回-1
 */
#include <stdio.h>

int binarySearch(int array[], int size, int target);

int main()
{
    int array[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int size = sizeof(array) / sizeof(array[0]);
    int target = 3;
    int result = binarySearch(array, size, target);

    printf("%d\n", result);

    return 0;
}

int binarySearch(int array[], int size, int target)
{
    int left = 0;
    int right = size - 1;

    while (left <= right) {
        int mid = (left + right) / 2;

        if (array[mid] == target) {
            return mid;
        }

        if (array[mid] < target) {
            left = mid + 1;
        } else {
            right = mid - 1;
        }
    }

    return -1;
}

3. 矩陣操作

矩陣（二維數組）可以進行各種數學運算，例如矩陣加、減、乘、轉置、求逆等等。

/*
 *給定兩個矩陣，求其乘積
 */
#include <stdio.h>

void matrixMultiply(int m1[][3], int m2[][2], int result[][2]);

int main()
{
    int m1[][3] = {{1, 2, 3}, {4, 5, 6}};
    int m2[][2] = {{7, 8}, {9, 10}, {11, 12}};
    int result[2][2];

    matrixMultiply(m1, m2, result);

    int i, j;
    for (i = 0; i < 2; i++) {
        for (j = 0; j < 2; j++) {
            printf("%d ", result[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }

    return 0;
}

void matrixMultiply(int m1[][3], int m2[][2], int result[][2])
{
    int i, j, k;
    for (i = 0; i < 2; i++) {
        for (j = 0; j < 2; j++) {
            result[i][j] = 0;
            for (k = 0; k < 3; k++) {
                result[i][j] += m1[i][k] * m2[k][j];
            }
        }
    }
}

4. 圖像處理

圖像處理中經常需要用到數組結構，例如存儲像素顏色、圖像壓縮、銳化濾波、模糊濾波等等。

結論

數組結構作為計算機科學中最常用的數據結構之一，應用廣泛且有着豐富的應用場景。掌握數組結構的基本概念、創建與初始化、多維數組、指針與數組、常見應用場景等知識對於程序開發人員至關重要，希望本文可以對您有所幫助。