【原】熬夜整理的C/C++萬字總結(jié)（三）

C語言與CPP編程 2021-12-15

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大家好，我是唐唐！

1、位運算

可以使用 C 對變量中的個別位進(jìn)行操作。您可能對人們想這樣做的原因感到奇怪。這種能力有時確實是必須的，或者至少是有用的。C 提供位的邏輯運算符和移位運算符。在以下例子中，我們將使用二進(jìn)制計數(shù)法寫出值，以便您可以了解對位發(fā)生的操作。在一個實際程序中，您可以使用一般的形式的整數(shù)變量或常量。例如不適用 00011001 的形式，而寫為 25 或者 031 或者 0x19.在我們的例子中，我們將使用8位數(shù)字，從左到右，每位的編號是 7 到 0。

1.1 位邏輯運算符

4 個位運算符用于整型數(shù)據(jù)，包括 char。將這些位運算符成為位運算的原因是它們對每位進(jìn)行操作，而不影響左右兩側(cè)的位。請不要將這些運算符與常規(guī)的邏輯運算符(&& 、||和!)相混淆，常規(guī)的位的邏輯運算符對整個值進(jìn)行操作。

1.1.1按位取反~

一元運算符~將每個 1 變?yōu)?0，將每個 0 變?yōu)?1，如下面的例子：

~(10011010)
01100101

假設(shè) a 是一個unsigned char，已賦值為 2。在二進(jìn)制中，2 是00000010.于是 -a 的值為11111101或者 253。請注意該運算符不會改變 a 的值，a 仍為 2。

unsigned char a = 2;   //00000010
unsigned char b = ~a;  //11111101
printf("ret = %d\n", a); //ret = 2
printf("ret = %d\n", b); //ret = 253

1.1.2位與（AND）: &

二進(jìn)制運算符 & 通過對兩個操作數(shù)逐位進(jìn)行比較產(chǎn)生一個新值。對于每個位，只有兩個操作數(shù)的對應(yīng)位都是 1 時結(jié)果才為 1。

(10010011) & (00111101) = (00010001)

C 也有一個組合的位與-賦值運算符：&=。下面兩個將產(chǎn)生相同的結(jié)果：

val &= 0377
val = val & 0377

1.1.3位或（OR）: |

二進(jìn)制運算符 | 通過對兩個操作數(shù)逐位進(jìn)行比較產(chǎn)生一個新值。對于每個位，如果其中任意操作數(shù)中對應(yīng)的位為 1，那么結(jié)果位就為 1。

(10010011)| (00111101) = (10111111)

C 也有組合位或-賦值運算符：|=

val |= 0377
val = val | 0377

**1.1.4位異或: **

二進(jìn)制運算符^對兩個操作數(shù)逐位進(jìn)行比較。對于每個位，如果操作數(shù)中的對應(yīng)位有一個是 1(但不是都是1)，那么結(jié)果是 1.如果都是 0 或者都是 1，則結(jié)果位 0。

(10010011)^ (00111101) = (10101110)

C 也有一個組合的位異或 - 賦值運算符：^=

val ^= 0377
val = val ^ 0377

1.1.5用法

1.1.5.1 打開位

已知：10011010：

1.將位 2 打開

flag | 10011010

(10011010)|(00000100)=(10011110)

2.將所有位打開

flag | ~flag

(10011010)|(01100101)=(11111111)

1.1.5.2 關(guān)閉位

flag & ~flag

(10011010)&(01100101)=(00000000)

1.1.5.3 轉(zhuǎn)置位

轉(zhuǎn)置(toggling)一個位表示如果該位打開，則關(guān)閉該位；如果該位關(guān)閉，則打開。您可以使用位異或運算符來轉(zhuǎn)置。其思想是如果 b 是一個位(1或0)，那么如果 b 為 1 則 b^1 為 0，如果 b 為 0，則 1^b 為 1。無論 b 的值是 0 還是 1,0^b 為 b。

flag ^ 0xff

(10010011)^(11111111)=(01101100)

1.1.5.4 交換兩個數(shù)不需要臨時變量

//a ^ b = temp;
//a ^ temp = b;
//b ^ temp = a
 (10010011)^(00100110)=(10110101)
 (10110101)^(00100110)= 10010011
 
  int a = 10;
  int b = 30;

1.2 移位運算符

現(xiàn)在讓我們了解一下 C 的移位運算符。移位運算符將位向左或向右移動。同樣，我們?nèi)詫⒚鞔_地使用二進(jìn)制形式來說明該機制的工作原理。

1.2.1 左移 <<

左移運算符<<將其左側(cè)操作數(shù)的值的每位向左移動，移動的位數(shù)由其右側(cè)操作數(shù)指定。空出來的位用 0 填充，并且丟棄移出左側(cè)操作數(shù)末端的位。在下面例子中，每位向左移動兩個位置。

(10001010) << 2 = (00101000)

該操作將產(chǎn)生一個新位置，但是不改變其操作數(shù)。

1 << 1 = 2;
2 << 1 = 4;
4 << 1 = 8;
8 << 2 = 32

左移一位相當(dāng)于原值 *2。

1.2.2 右移 >>

右移運算符>>將其左側(cè)的操作數(shù)的值每位向右移動，移動的位數(shù)由其右側(cè)的操作數(shù)指定。丟棄移出左側(cè)操作數(shù)有段的位。對于unsigned類型，使用 0 填充左端空出的位。對于有符號類型，結(jié)果依賴于機器。空出的位可能用 0 填充，或者使用符號(最左端)位的副本填充。

//有符號值
(10001010) >> 2
(00100010)     //在某些系統(tǒng)上的結(jié)果值

(10001010) >> 2
(11100010)     //在另一些系統(tǒng)上的結(jié)果

//無符號值
(10001010) >> 2
(00100010)    //所有系統(tǒng)上的結(jié)果值

1.2.3 用法：移位運算符

移位運算符能夠提供快捷、高效（依賴于硬件）對 2 的冪的乘法和除法。

number << n: number乘以2的n次冪

number >> n：如果number非負(fù)，則用number除以2的n次冪

2、數(shù)組

2.1 一維數(shù)組

元素類型角度：數(shù)組是相同類型的變量的有序集合
內(nèi)存角度：連續(xù)的一大片內(nèi)存空間

在討論多維數(shù)組之前，我們還需要學(xué)習(xí)很多關(guān)于一維數(shù)組的知識。首先讓我們學(xué)習(xí)一個概念。

2.1.1 數(shù)組名

考慮下面這些聲明：

int a;
int b[10];

我們把 a 稱作標(biāo)量，因為它是個單一的值，這個變量是的類型是一個整數(shù)。我們把 b 稱作數(shù)組，因為它是一些值的集合。下標(biāo)和數(shù)名一起使用，用于標(biāo)識該集合中某個特定的值。例如，b[0] 表示數(shù)組 b 的第 1 個值，b[4] 表示第 5 個值。每個值都是一個特定的標(biāo)量。

那么問題是 b 的類型是什么？它所表示的又是什么？一個合乎邏輯的答案是它表示整個數(shù)組，但事實并非如此。在 C中，在幾乎所有數(shù)組名的表達(dá)式中，數(shù)組名的值是一個指針常量，也就是數(shù)組第一個元素的地址。它的類型取決于數(shù)組元素的類型：如果他們是int類型，那么數(shù)組名的類型就是“指向 int 的常量指針”；如果它們是其他類型，那么數(shù)組名的類型也就是“指向其他類型的常量指針”。

請問：指針和數(shù)組是等價的嗎？

答案是否定的。數(shù)組名在表達(dá)式中使用的時候，編譯器才會產(chǎn)生一個指針常量。那么數(shù)組在什么情況下不能作為指針常量呢？在以下兩種場景下：

當(dāng)數(shù)組名作為sizeof操作符的操作數(shù)的時候，此時sizeof返回的是整個數(shù)組的長度，而不是指針數(shù)組指針的長度。
當(dāng)數(shù)組名作為&操作符的操作數(shù)的時候，此時返回的是一個指向數(shù)組的指針，而不是指向某個數(shù)組元素的指針常量。

int arr[10];
//arr = NULL; //arr作為指針常量，不可修改
int *p = arr; //此時arr作為指針常量來使用
printf("sizeof(arr):%d\n", sizeof(arr)); //此時sizeof結(jié)果為整個數(shù)組的長度
printf("&arr type is %s\n", typeid(&arr).name()); //int(*)[10]而不是int*

2.1.2 下標(biāo)引用

int arr[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6 };

*(arr + 3) ,這個表達(dá)式是什么意思呢？

首先，我們說數(shù)組在表達(dá)式中是一個指向整型的指針，所以此表達(dá)式表示 arr 指針向后移動了 3 個元素的長度。然后通過間接訪問操作符從這個新地址開始獲取這個位置的值。這個和下標(biāo)的引用的執(zhí)行過程完全相同。所以如下表達(dá)式是等同的：

*(arr + 3)
arr[3]

問題1：數(shù)組下標(biāo)可否為負(fù)值？

問題2：請閱讀如下代碼，說出結(jié)果：

int arr[] = { 5, 3, 6, 8, 2, 9 };
int *p = arr + 2;
printf("*p = %d\n", *p);
printf("*p = %d\n", p[-1]);

那么是用下標(biāo)還是指針來操作數(shù)組呢？對于大部分人而言，下標(biāo)的可讀性會強一些。

2.1.3 數(shù)組和指針

指針和數(shù)組并不是相等的。為了說明這個概念，請考慮下面兩個聲明：

int a[10];
int *b;

聲明一個數(shù)組時，編譯器根據(jù)聲明所指定的元素數(shù)量為數(shù)組分配內(nèi)存空間，然后再創(chuàng)建數(shù)組名，指向這段空間的起始位置。聲明一個指針變量的時候，編譯器只為指針本身分配內(nèi)存空間，并不為任何整型值分配內(nèi)存空間，指針并未初始化指向任何現(xiàn)有的內(nèi)存空間。

因此，表達(dá)式 *a 是完全合法的，但是表達(dá)式 *b 卻是非法的。*b 將訪問內(nèi)存中一個不確定的位置，將會導(dǎo)致程序終止。另一方面b++可以通過編譯，a++ 卻不行，因為a是一個常量值。

2.1.4 作為函數(shù)參數(shù)的數(shù)組名

當(dāng)一個數(shù)組名作為一個參數(shù)傳遞給一個函數(shù)的時候發(fā)生什么情況呢？

我們現(xiàn)在知道數(shù)組名其實就是一個指向數(shù)組第 1 個元素的指針，所以很明白此時傳遞給函數(shù)的是一份指針的拷貝。所以函數(shù)的形參實際上是一個指針。但是為了使程序員新手容易上手一些，編譯器也接受數(shù)組形式的函數(shù)形參。因此下面兩種函數(shù)原型是相等的：

int print_array(int *arr);
int print_array(int arr[]);

我們可以使用任何一種聲明，但哪一個更準(zhǔn)確一些呢？答案是指針。因為實參實際上是個指針，而不是數(shù)組。同樣 sizeof arr 值是指針的長度，而不是數(shù)組的長度。

現(xiàn)在我們清楚了，為什么一維數(shù)組中無須寫明它的元素數(shù)目了，因為形參只是一個指針，并不需要為數(shù)組參數(shù)分配內(nèi)存。另一方面，這種方式使得函數(shù)無法知道數(shù)組的長度。如果函數(shù)需要知道數(shù)組的長度，它必須顯式傳遞一個長度參數(shù)給函數(shù)。

2.2 多維數(shù)組

如果某個數(shù)組的維數(shù)不止1個，它就被稱為多維數(shù)組。接下來的案例講解以二維數(shù)組舉例。

void test01(){
 //二維數(shù)組初始化
 int arr1[3][3] = {
  { 1, 2, 3 },
  { 4, 5, 6 },
  { 7, 8, 9 }
 };
 int arr2[3][3] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 };
 int arr3[][3] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 };

 //打印二維數(shù)組
 for (int i = 0; i < 3; i++){
  for (int j = 0; j < 3; j ++){
   printf("%d ",arr1[i][j]);
  }
  printf("\n");
 }
}

2.2.1 數(shù)組名

一維數(shù)組名的值是一個指針常量，它的類型是“指向元素類型的指針”，它指向數(shù)組的第 1 個元素。多維數(shù)組也是同理，多維數(shù)組的數(shù)組名也是指向第一個元素，只不過第一個元素是一個數(shù)組。例如：

int arr[3][10]

可以理解為這是一個一維數(shù)組，包含了 3 個元素，只是每個元素恰好是包含了 10 個元素的數(shù)組。arr 就表示指向它的第1個元素的指針，所以 arr 是一個指向了包含了 10 個整型元素的數(shù)組的指針。

2.2.2 指向數(shù)組的指針(數(shù)組指針)

數(shù)組指針，它是指針，指向數(shù)組的指針。

數(shù)組的類型由元素類型和數(shù)組大小共同決定：int array[5] 的類型為 int[5]；

C 語言可通過 typedef 定義一個數(shù)組類型：

定義數(shù)組指針有一下三種方式：

//方式一
void test01(){

 //先定義數(shù)組類型，再用數(shù)組類型定義數(shù)組指針
 int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
 //有typedef是定義類型，沒有則是定義變量,下面代碼定義了一個數(shù)組類型ArrayType
 typedef int(ArrayType)[10];
 //int ArrayType[10]; //定義一個數(shù)組，數(shù)組名為ArrayType

 ArrayType myarr; //等價于 int myarr[10];
 ArrayType* pArr = &arr; //定義了一個數(shù)組指針pArr，并且指針指向數(shù)組arr
 for (int i = 0; i < 10;i++){
  printf("%d ",(*pArr)[i]);
 }
 printf("\n");
}

//方式二
void test02(){

 int arr[10];
 //定義數(shù)組指針類型
 typedef int(*ArrayType)[10];
 ArrayType pArr = &arr; //定義了一個數(shù)組指針pArr，并且指針指向數(shù)組arr
 for (int i = 0; i < 10; i++){
  (*pArr)[i] = i + 1;
 }
 for (int i = 0; i < 10; i++){
  printf("%d ", (*pArr)[i]);
 }
 printf("\n");

}

//方式三
void test03(){
 
 int arr[10];
 int(*pArr)[10] = &arr;

 for (int i = 0; i < 10; i++){
  (*pArr)[i] = i + 1;

 }
 for (int i = 0; i < 10; i++){
  printf("%d ", (*pArr)[i]);
 }
 printf("\n");
}

2.2.3 指針數(shù)組(元素為指針)

2.2.3.1 棧區(qū)指針數(shù)組

//數(shù)組做函數(shù)函數(shù)，退化為指針
void array_sort(char** arr,int len){

 for (int i = 0; i < len; i++){
  for (int j = len - 1; j > i; j --){
   //比較兩個字符串
   if (strcmp(arr[j-1],arr[j]) > 0){
    char* temp = arr[j - 1];
    arr[j - 1] = arr[j];
    arr[j] = temp;
   }
  }
 }

}

//打印數(shù)組
void array_print(char** arr,int len){
 for (int i = 0; i < len;i++){
  printf("%s\n",arr[i]);
 }
 printf("----------------------\n");
}

void test(){
 
 //主調(diào)函數(shù)分配內(nèi)存
 //指針數(shù)組
 char* p[] = { "bbb", "aaa", "ccc", "eee", "ddd"};
 //char** p = { "aaa", "bbb", "ccc", "ddd", "eee" }; //錯誤
 int len = sizeof(p) / sizeof(char*);
 //打印數(shù)組
 array_print(p, len);
 //對字符串進(jìn)行排序
 array_sort(p, len);
 //打印數(shù)組
 array_print(p, len);
}

2.2.3.2 堆區(qū)指針數(shù)組

//分配內(nèi)存
char** allocate_memory(int n){
 
 if (n < 0 ){
  return NULL;
 }

 char** temp = (char**)malloc(sizeof(char*) * n);
 if (temp == NULL){
  return NULL;
 }

 //分別給每一個指針malloc分配內(nèi)存
 for (int i = 0; i < n; i ++){
  temp[i] = malloc(sizeof(char)* 30);
  sprintf(temp[i], "%2d_hello world!", i + 1);
 }

 return temp;
}

//打印數(shù)組
void array_print(char** arr,int len){
 for (int i = 0; i < len;i++){
  printf("%s\n",arr[i]);
 }
 printf("----------------------\n");
}

//釋放內(nèi)存
void free_memory(char** buf,int len){
 if (buf == NULL){
  return;
 }
 for (int i = 0; i < len; i ++){
  free(buf[i]);
  buf[i] = NULL;
 }

 free(buf);
}

void test(){
 
 int n = 10;
 char** p = allocate_memory(n);
 //打印數(shù)組
 array_print(p, n);
 //釋放內(nèi)存
 free_memory(p, n);
}

2.2.4二維數(shù)組三種參數(shù)形式

2.2.4.1 二維數(shù)組的線性存儲特性

void PrintArray(int* arr, int len){
 for (int i = 0; i < len; i++){
  printf("%d ", arr[i]);
 }
 printf("\n");
}

//二維數(shù)組的線性存儲
void test(){
 int arr[][3] = {
  { 1, 2, 3 },
  { 4, 5, 6 },
  { 7, 8, 9 }
 };

 int arr2[][3] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 };
 int len = sizeof(arr2) / sizeof(int);

 //如何證明二維數(shù)組是線性的？
 //通過將數(shù)組首地址指針轉(zhuǎn)成Int*類型，那么步長就變成了4，就可以遍歷整個數(shù)組
 int* p = (int*)arr;
 for (int i = 0; i < len; i++){
  printf("%d ", p[i]);
 }
 printf("\n");

 PrintArray((int*)arr, len);
 PrintArray((int*)arr2, len);
}

2.2.4.2 二維數(shù)組的3種形式參數(shù)

//二維數(shù)組的第一種形式
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]);
  }
 }
}

//二維數(shù)組的第二種形式
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]);
  }
 }
}

//二維數(shù)組的第二種形式
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);
}