Массивы чрезвычайно важная тема в C++. В программах они используются очень часто и разобраться в этой теме необходимо досконально. Сразу вас обрадую – понять и научиться применять массивы достаточно просто даже начинающему.

Итак, зачем же нужны массивы и что они из себя представляют? К настоящему моменту вы уже хорошо знаете, что данные программы хранятся в объявленных нами . Но бывает так, что программе необходимо хранить сотни (а то и больше) переменных однотипных данных, а также необходимо с ними работать – присваивать значения, изменять их и т.д.

К примеру, надо хранить порядковые номера строк. Согласитесь – любому станет страшно от мысли, что надо создать пятьсот переменных типа int, каждой дать уникальное имя и присвоить значение от 1-го до 500-та. (мне уже страшно:) В таком случае, массивы нас просто спасут.

Отметим основное и перейдем к практическому примеру:

• массив в С++ – это совокупность определенного количества однотипных переменных, имеющих одно имя. К примеру, int array ; . Эта запись означает, что мы объявили массив с именем array , который содержит в себе 3 переменные типа int ;
• переменные массива называют элементами;
• каждый элемент имеет свой уникальный индекс – свой порядковый номер. Используя индекс мы можем обращаться к конкретному элементу. ВАЖНО – индексация элементов массива начинается с 0 . Так в массиве int array первый элемент имеет индекс 0 , а последний – 2 . Чтобы обратиться, например, к нулевому элементу массива и изменить его значение, надо указать имя массива и в квадратных скобках указать индекс элемента – array = 33 .

Рассмотрим пример:

массивы C++

// в этой программе создаем массив с размером size, // с помощью цикла for вносим данные во все ячейки // массива и отображаем их содержимое на экран #include using namespace std; int main() { setlocale(LC_ALL, "rus"); const int SIZE = 10; //объявляем константу int firstArray; //объявляем массив с количеством элементов SIZE for (int i = 0; i < SIZE ; i++) //заполняем и отображаем значения на экран { firstArray[i] = i + 1; // на первом шаге цикла firstArray присвоить 1 (0 + 1) cout << i << "-я ячейка хранит число " << firstArray[i] << endl; } cout << endl; return 0; }

// в этой программе создаем массив с размером size, // с помощью цикла for вносим данные во все ячейки // массива и отображаем их содержимое на экран #include using namespace std ; int main () setlocale (LC_ALL , "rus" ) ; const int SIZE = 10 ; //объявляем константу int firstArray [ SIZE ] ; //объявляем массив с количеством элементов SIZE for (int i = 0 ; i < SIZE ; i ++ ) //заполняем и отображаем значения на экран firstArray [ i ] = i + 1 ; // на первом шаге цикла firstArray присвоить 1 (0 + 1) cout << i << "-я ячейка хранит число " << firstArray [ i ] << endl ; cout << endl ; return 0 ;

В строке 12 мы определяем целочисленную константу SIZE , которая будет хранить размер массива (определённое нами, количество его элементов). В строке 13 объявляем массив: указываем тип данных, которые будут храниться в ячейках массива, даем имя и указываем размер в квадратных скобках.

Важно, что в квадратные скобки мы можем записывать только целые константные значения. Надо либо сразу вписать целое число в квадратные скобки при объявлении массива (int firstArray; ), либо определить целочисленную константу до объявления массива и ввести в квадратные скобки имя этой константы (как в нашем примере).

Второй способ использовать предпочтительней, если в ходе программы вам придется несколько раз обращаться к массиву через цикл. Объясняется это тем, что когда мы объявляем цикл, в нём можно указать условие изменения счетчика до значения SIZE .

Вот представьте, что нам необходимо изменить размер массива с 10 элементов на 200. В этом случае, нам остаётся всего на всего изменить значение целочисленной константы, и таким образом у нас автоматически подставятся новые значения размера и в массив, и во все циклы программы.

Можете попробовать в нашем примере внести любую другую цифру в константу SIZE . И вы увидите, что программа будет прекрасно работать – создаст массив на столько элементов, на сколько вы укажете, внесет данные и отобразит их на экране.

А если массив совсем небольшой, к примеру на 5 элементов, инициализировать его можно сразу при объявлении:

Так элементу с индексом 0 – firstArray – будет присвоено значение 11 , а последнему элементу массива firstArray – значение 1 5 . Есть такая фишка – вы можете не указывать размер массива в квадратных скобках и сделать такую запись:

Предыдущая запись эквивалентна этой. Только во втором случае компилятор автоматически вычислит размер массива, по количеству данных в фигурных скобках.

Так же при начальной инициализации элементов массива, когда массив необходимо очистить от «мусора» (остаточных данных других программ в памяти) лучше сразу присвоить всем элементам значение 0 . Это выглядит так:

Следует запомнить, что такая инициализация возможна только для заполнения нулями. Если необходимо заполнить элементы массива какими-либо другими числами, лучше применять цикл. В C++11 (стандарт кодирования) при использовании списковой инициализации (инициализации с фигурными скобками) разрешается даже отбросить знак = .

Хочется показать еще один прием инициализации при создании массива. К примеру, для массива из 30-ти элементов нам надо внести значения 33 и 44 только в ячейки с индексом 0 и 1 соответственно, а остальные заполнить нулями. Тогда делаем так:

эти данные будут внесены в нулевую и первую ячейки, а остальные автоматически примут значение 0 .

Организовать заполнение массива можно и при помощи оператора cin :

for (int i = 0; i < size; i++) //заполняем и выводим значения на экран { cout << "Введите значение в ячейку №" << i << " :"; cin >> firstArray[i]; }

for (int i = 0 ; i < size ; i ++ ) //заполняем и выводим значения на экран

Последнее обновление: 17.09.2017

Массив представляет набор однотипных данных. Формальное определение массива выглядит следующим образом:

Тип_переменной название_массива [длина_массива]

После типа переменной идет название массива, а затем в квадратных скобках его размер. Например, определим массив из 4 чисел:

Int numbers;

Данный массив имеет четыре числа, но все эти числа имеют неопределенное значение. Однако мы можем выполнить инициализацию и присвоить этим числам некоторые начальные значения через фигурные скобки:

Int numbers = {1,2,3,4};

Значения в фигурных скобках еще называют инициализаторами. Если инициализаторов меньше, чем элементов в массиве, то инициализаторы используются для первых элементов. Если в инициализаторов больше, чем элементов в массиве, то при компиляции возникнет ошибка:

Int numbers = {1, 2, 3, 4, 5, 6};

Здесь массив имеет размер 4, однако ему передается 6 значений.

Если размер массива не указан явно, то он выводится из количества инициализаторов:

Int numbers = {1, 2, 3, 4, 5, 6};

В данном случае в массиве есть 6 элементов.

Свои особенности имеет инициализация символьных массивов. Мы можем передать символьному массиву как набор инициализаторов, так и строку:

Char s1 = {"h", "e", "l", "l", "o"}; char s2 = "world";

Причем во втором случае массив s2 будет иметь не 5 элементов, а 6, поскольку при инициализации строкой в символьный массив автоматически добавляется нулевой символ "\0".

При этом не допускается присвоение одному массиву другого массива:

Int nums1 = {1,2,3,4,5}; int nums2 = nums1; // ошибка nums2 = nums1; // ошибка

После определения массива мы можем обратиться к его отдельным элементам по индексу. Индексы начинаются с нуля, поэтому для обращения к первому элементу необходимо использовать индекс 0. Обратившись к элементу по индексу, мы можем получить его значение, либо изменить его:

#include int main() { int numbers = {1,2,3,4}; int first_number = numbers; std::cout << first_number << std::endl; // 1 numbers = 34; // изменяем элемент std::cout << numbers << std::endl; // 34 return 0; }

Число элементов массива также можно определять через константу:

Const int n = 4; int numbers[n] = {1,2,3,4};

Перебор массивов

Используя циклы, можно пробежаться по всему массиву и через индексы обратиться к его элементам:

#include int main() { int numbers = {1,2,3,4}; int size = sizeof(numbers)/sizeof(numbers); for(int i=0; i < size; i++) std::cout << numbers[i] << std::endl; return 0; }

Чтобы пройтись по массиву в цикле, вначале надо найти длину массива. Для нахождения длины применяется оператор sizeof . По сути длина массива равна совокупной длине его элементов. Все элементы представляют один и тот же тип и занимают один и тот же размер в памяти. Поэтому с помощью выражения sizeof(numbers) находим длину всего массива в байтах, а с помощью выражения sizeof(numbers) - длину одного элемента в байтах. Разделив два значения, можно получить количество элементов в массиве. А далее с помощью цикла for перебираем все элементы, пока счетчик i не станет равным длине массива. В итоге на консоль будут выведены все элементы массива:

Но также есть и еще одна форма цикла for , которая предназначена специально для работа с коллекциями, в том числе с массивами. Эта форма имеет следующее формальное определение:

For(тип переменная: коллекция) { инструкции; }

Используем эту форму для перебора массива:

#include int main() { int numbers = {1,2,3,4}; for(int number: numbers) std::cout << number << std::endl; return 0; }

При переборе массива каждый перебираемый элемент будет помещаться в переменную number, значение которой в цикле выводится на консоль.

Если нам неизвестен тип объектов в массиве, то мы можем использовать спецификатор auto для определения типа:

For(auto number: numbers) std::cout << number << std::endl;

Многомерные массивы

Кроме одномерных массивов в C++ есть многомерные. Элементы таких массивов сами в свою очередь являются массивами, в которых также элементы могут быть массивами. Например, определим двухмерный массив чисел:

Int numbers;

Такой массив состоит из трех элементов, при этом каждый элемент представляет массив из двух элементов. Инициализируем подобный массив:

Int numbers = { {1, 2}, {4, 5}, {7, 8} };

Вложенные фигурные скобки очерчивают элементы для каждого подмассива. Такой массив еще можно представить в виде таблицы:

1	2
4	5
7	8

Также при инициализации можно опускать фигурные скобки:

Int numbers = { 1, 2, 4, 5, 7, 8 };

Возможна также инициализация не всех элементов, а только некоторых:

Int numbers = { {1, 2}, {}, {7} };

И чтобы обратиться к элементам вложенного массива, потребуется два индекса:

Int numbers = { {1, 2}, {3, 4}, {5, 6} }; std::cout << numbers << std::endl; // 3 numbers = 12; // изменение элемента std::cout << numbers << std::endl; // 12

Переберем двухмерный массив:

#include int main() { const int rows = 3, columns = 2; int numbers = { {1, 2}, {3, 4}, {5, 6} }; for(int i=0; i < rows; i++) { for(int j=0; j < columns; j++) { std::cout << numbers[i] [j] << "\t"; } std::cout << std::endl; } return 0; }

Также для перебора элементов многомерного массива можно использовать другую форму цикла for:

#include int main() { const int rows = 3, columns = 2; int numbers = { {1, 2}, {3, 4}, {5, 6} }; for(auto &subnumbers: numbers) { for(int number: subnumbers) { std::cout << number << "\t"; } std::cout << std::endl; } return 0; }

Для перебора массивов, которые входят в массив, применяются ссылки. То есть во внешнем цикле for(auto &subnumbers: numbers) &subnumbers представляет ссылку на подмассив в массиве. Во внутреннем цикле for(int number: subnumbers) из каждого подмассива в subnumbers получаем отдельные его элементы в переменную number и выводим ее значение на консоль.

Еще одним видом массивов C# являются массивы массивов, называемые также изрезанными массивами (jagged arrays). Такой массив массивов можно рассматривать как одномерный массив, элементы которого являются массивами, элементы которых, в свою очередь, снова могут быть массивами, и так может продолжаться до некоторого уровня вложенности.

В каких ситуациях может возникать необходимость в таких структурах данных? Эти массивы могут применяться для представления деревьев, у которых узлы могут иметь произвольное число потомков. Таковым может быть, например, генеалогическое дерево. Вершины первого уровня -Fathers , представляющие отцов, могут задаваться одномерным массивом, так что Fathers [ i ] - этоi -й отец. Вершины второго уровня представляются массивом массивов -Children , так чтоChildren [ i ] - это массив детейi -го отца, аChildren [ i ][ j ] - это j-й ребенокi -го отца. Для представления внуков понадобится третий уровень, так чтоGrandChildren [ i ][ j ][ k ] будет представлять к -го внукаj -го ребенка i -го отца.

Есть некоторые особенности в объявлении и инициализации таких массивов. Если при объявлении типа многомерных массивов для указания размерности использовались запятые, то для изрезанных массивов применяется более ясная символика - совокупности пар квадратных скобок; например, int [ ] задает массив, элементы которого - одномерные массивы элементов типа int .

Сложнее с созданием самих массивов и их инициализацией. Здесь нельзя вызвать конструкторnew int , поскольку он не задает изрезанный массив. Фактически нужно вызывать конструктор для каждого массива на самом нижнем уровне. В этом и состоит сложность объявления таких массивов. Начнем с формального примера:

//массив массивов - формальный пример
//объявление и инициализация
int [ ] jagger = new int [ ] {
new int[ ] {5, 7, 9, 11},
new int[ ] {2, 8},
new int[ ] {6, 12, 4}
};

Массивjagger имеет всего два уровня. Можно считать, что у него три элемента, каждый из которых является массивом. Для каждого такого массива необходимо вызвать конструкторnew , чтобы создать внутренний массив. В данном примере элементы внутренних массивов получают значение, будучи явно инициализированы константными массивами. Конечно, допустимо и такое объявление:

int [ ] jagger 1 = new int [ ] {
new int ,
new int ,
new int
};

В этом случае элементы массива получат при инициализации нулевые значения. Реальную инициализацию нужно будет выполнять программным путем. Стоит заметить, что в конструкторе верхнего уровня константу 3 можно опустить и писать простоnew int [ ] . Вызов этого конструктора можно вообще опустить - он будет подразумеваться:

int [ ] jagger 2 = {
new int,
new int,
new int
};

А вот конструкторы нижнего уровня необходимы. Еще одно важное замечание - динамические массивы возможны и здесь. В общем случае, границы на любом уровне могут быть выражениями, зависящими от переменных. Более того, допустимо, чтобы массивы на нижнем уровне были многомерными.

Массивы предназначены для хранения множества значений одного типа. Например, в программе Fahrenheit to Celsius, мы высчитывали среднее значение температуры из трёх. Если значений не три, а намного больше, то тут как раз и нужно использовать массивы.

Прежде чем использовать массив, его нужно определить. Определение массива включает в себя: тип данных хранящихся в массиве, имя массива и в квадратных скобках указывается количество элементов массива:

int array;

В этом коде мы определили массив с идентификатором (именем) array (массив) из десяти элементов типа int.
В таком виде, все элементы массива ещё неинициализированы. Чтобы инициализировать их при обьявлении, нужно использовать следующий синтаксис:

int array = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};

При этом, первому элементу массива присваивается значение 0, а последнему - значение 9.
Чтобы присвоить элементам массива значение, можно воспользоваться циклами. Самым подходящим для этого будет цикл for.

код на языке c++ int array; //определение массива for (int i = 0; i < 10; i++) { array[i] = i; }

Здесь мы обращаемся к каждому элементу массива через индекс - число стоящее в квадратных скобках. При каждой итерации цикла оно принимает значения от нуля до 9.

Заметьте, что нумерация индексов начинается с нуля. Поэтому число индексов всегда на единицу меньше числа элементов массива.

За исключением квадратных скобок и индекса, элемент массива используется также как и любая переменная.

Строки

До сих пор мы могли хранить строки только в константах: "Пример константной строки". В переменных мы могли хранить только один символ - в типе char. В C++ используется два типа строк: массив элементов типа char и тип str. Сейчас мы сосредоточимся на первом варианте.

Для хранения строки нам нужен массив. Выглядит это примерно так:

char string = {"с","т","р","о"."к","а"};

К счастью есть более простой способ:)

char string = "строка";

В данном случае автоматически создастся массив из семи элементов. Почему из семи? Дело в том что каждая строка должна заканчиваться символьной константой "\0", которая представляет пустой байт.

В предыдущих примерах, если мы попытаемся ввести в массив string строку большую чем шесть символов, то произойдёт переполнение массива т.к. нельзя изменять размер массива во время выполнения программы (хотя, не всегда):

char string; // string может хранить шесть символов и "\0"

string = "строка!"; // в строке содержится семь символов
Так делать не рекомендуется:)

Ещё один момент на который я хочу обратить ваше внимание. В случае, когда пользователь вводит строку, пробелы считаются за "\0". Мы пока не будем вводить строки в наших программах, поэтому я не буду подробно объяснять данный случай.

Массивы массивов (двумерные массивы)

Ну и наконец-то мы подошли к самому важному в этом выпуске.

Карта в стратегических (и не только) играх (RTS) делится на клетки (в английском - tile, плитка). Эти клетки удобно представлять с помощью двумерного массива.

В данном примере мы продолжим работать с программой pseudo_game и с помощью двумерного массива смоделируем карту по которой может перемещаться игрок. До сих пор "перемещиение" представлялось с помощью координат x, y.

Клетки мы будем представлять символами. Размер "карты" - 15x20. Пятнадцать в высоту, двадцвать в ширину. Игрока мы будем представлять символом Т.

Сначала добавьте заголовочный файл stdlib.h.

Усовершенствованная pseudo_game

Я приведу только куски кода. Желательно чтобы у вас перед глазами была полная программа. Найти её Вы можете в разделе "листинги программ" - pseudo_game_0_2. Она компилируется и запускается. Просто скопируйте её в редактор вашей IDE и следите за текстом.

Инициализация данных:

код на языке c++ char act; // переменная для считывания ввода пользователя int ch; // переменная для хранения приведённого значения переменной act int x = 0; // две переменные для хранения координат игрока int y = 0; char map; // массив для хранения игровой карты // инициализация массива for (int i = 0; i < 15; i++) { for (int j = 0; j < 20; j++) { map[i][j] = " "; } } map = "T";

Здесь новым оператором для нас является определение двумерного массива. Но оно почти ничем не отличается от одномерного, просто добавляется ещё одна пара квадратных скобок. В первых скобках мы указали количество строк, во второй - количество столбцов.

После этого в двух циклах мы инициализируем каждый элемент массива значением " " - это просто пробельный символ. Сначала - во внешнем цикле, мы проходим по всем строкам. Для каждой строки во внутреннем цикле мы "пробегаем" по столбцам.

Приведу подробный пример: после нескольких итераций внешнего цикла, счётчик i становится равным 9. Начинает выполняться тело внешнего цикла: переменная j (счётчик внутреннего цикла) инициализируется нулём, проверяется условие и выполняется тело внутреннего цикла: map = " ";, То есть первому символу (индекс ноль) десятой строки (не забывайте что отсчёт ведётся с нуля) присваивается пробел. Затем, счётчику j присваивается 1, выполняется тело цикла... и так до тех пор пока счётчик j не станет равным 20 - условие не выполняется и происходит выход из внутреннего цикла. Затем инкрементируется внешний счётчик. Теперь он равен 10 и снова выполняется тело внешнего цикла...

После инициализации пробелами мы в первый столбец первой строки помещаем персонажа нашей игры.

В начале основного цикла мы вызываем функцию system() для очистки экрана от прошлого вывода.

Затем идут два цикла похожие на циклы инициализации. Они используются для вывода элементов массива на экран. Единственным существенным отличием является вывод символа новой строки в конце тела первого цикла.

Ну а дальше идёт ветвление в котором определяется какая клавиша нажата. Само ветвление мало изменилось с прошлого раза, а вот в содержимом блоков есть отличия: во-первых мы присваиваем координатам на которых стоит объект пробел. То есть мы очищаем предыдущее место. Затем мы изменяем одну из координат. И затем, элементу массива с новыми индексами, мы присваиваем символ "T".

Пример для кода "75" - движение влево:

код на языке c++ if else (ch == 75) { map[x][y] = " "; y--; map[x][y] = "T"; }

Ну, вот в общем и всё. На данный момент у нас есть карта 15х20 по которой с помощью стрелочек можно перемещать персонаж - букву "T". Для шестого урока неплохо! Данное приложение станет основой для всех наших консольных программ. Никаких графических улучшений не будет. Большего из досовской консоли просто не выжать, а консоль windows мы рассматривать не будем. Это существенно сэкономит время и силы.

Я подробно закомментировал программу pseudo_game и Вы скорее всего без труда в ней разберётесь. Если нет, то перечитывайте листинг программы и этот выпуск пока не разберётесь:). Закрепить материал вам помогут упражнения. Выполнение упражнений обязательно. Если что непонятно, пишите на мой e-mail - постараюсь помочь.

Упражнения:

1. В полном листинге программы я использовал ветвление switch. Здесь же показан код одного блока ветвления if. Допишите остальные блоки if.

2. Сейчас в программе возможна запись в несуществующие элементы массива. Сделайте проверку на выход за пределы карты.

3. Для практики создайте программу рисующую на экране два поля для морского боя. Первое - игрока, второе - противника. Второе поле должно располагаться справа от первого.
Внутренние клетки заполняйте пробелом. Для рисования границы используйте минус и прямую разделительную черту: -, |, а для углов - решётку #. Слева от каждого поля - стобик цифр; сверху - буквы.
Для инициализации всего поля вам может понадобиться несколько циклов. Вот как может выглядеть код для заполнения столбика цифр второго поля:

код на языке c++ int string; // переменная представляющая строки int column; // переменная представляющая столбцы char map; column = 15; for (string = 2; string < 12; string++) { map = string - 1; }

• Tutorial

В этом посте я постараюсь окончательно разобрать такие тонкие понятия в C и C++, как указатели, ссылки и массивы. В частности, я отвечу на вопрос, так являются массивы C указателями или нет.

Обозначения и предположения

• Я буду предполагать, что читатель понимает, что, например, в C++ есть ссылки, а в C - нет, поэтому я не буду постоянно напоминать, о каком именно языке (C/C++ или именно C++) я сейчас говорю, читатель поймёт это из контекста;
• Также, я предполагаю, что читатель уже знает C и C++ на базовом уровне и знает, к примеру, синтаксис объявления ссылки. В этом посте я буду заниматься именно дотошным разбором мелочей;
• Буду обозначать типы так, как выглядело бы объявление переменной TYPE соответствующего типа. Например, тип «массив длины 2 int"ов» я буду обозначать как int TYPE ;
• Я буду предполагать, что мы в основном имеем дело с обычными типами данных, такими как int TYPE , int *TYPE и т. д., для которых операции =, &, * и другие не переопределены и обозначают обычные вещи;
• «Объект» всегда будет означать «всё, что не ссылка», а не «экземпляр класса»;
• Везде, за исключением специально оговоренных случаев, подразумеваются C89 и C++98.

Указатели и ссылки

Указатели . Что такое указатели, я рассказывать не буду. :) Будем считать, что вы это знаете. Напомню лишь следующие вещи (все примеры кода предполагаются находящимися внутри какой-нибудь функции, например, main):

Int x; int *y = &x; // От любой переменной можно взять адрес при помощи операции взятия адреса "&". Эта операция возвращает указатель int z = *y; // Указатель можно разыменовать при помощи операции разыменовывания "*". Это операция возвращает тот объект, на который указывает указатель

Также напомню следующее: char - это всегда ровно один байт и во всех стандартах C и C++ sizeof (char) == 1 (но при этом стандарты не гарантируют, что в байте содержится именно 8 бит:)). Далее, если прибавить к указателю на какой-нибудь тип T число, то реальное численное значение этого указателя увеличится на это число, умноженное на sizeof (T) . Т. е. если p имеет тип T *TYPE , то p + 3 эквивалентно (T *)((char *)p + 3 * sizeof (T)) . Аналогичные соображения относятся и к вычитанию.

Ссылки . Теперь по поводу ссылок. Ссылки - это то же самое, что и указатели, но с другим синтаксисом и некоторыми другими важными отличиями, о которых речь пойдёт дальше. Следующий код ничем не отличается от предыдущего, за исключением того, что в нём фигурируют ссылки вместо указателей:
int x; int &y = x; int z = y;

Если слева от знака присваивания стоит ссылка, то нет никакого способа понять, хотим мы присвоить самой ссылке или объекту, на который она ссылается. Поэтому такое присваивание всегда присваивает объекту, а не ссылке. Но это не относится к инициализации ссылки: инициализируется, разумеется, сама ссылка. Поэтому после инициализации ссылки нет никакого способа изменить её саму, т. е. ссылка всегда постоянна (но не её объект).

Lvalue . Те выражения, которым можно присваивать, называются lvalue в C, C++ и многих других языках (это сокращение от «left value», т. е. слева от знака равенства). Остальные выражения называются rvalue. Имена переменных очевидным образом являются lvalue, но не только они. Выражения a , some_struct.some_field , *ptr , *(ptr + 3) - тоже lvalue.

Удивительный факт состоит в том, что ссылки и lvalue - это в каком-то смысле одно и то же. Давайте порассуждаем. Что такое lvalue? Это нечто, чему можно присвоить. Т. е. это некое фиксированное место в памяти, куда можно что-то положить. Т. е. адрес. Т. е. указатель или ссылка (как мы уже знаем, указатели и ссылки - это два синтаксически разных способа в C++ выразить понятие адреса). Причём скорее ссылка, чем указатель, т. к. ссылку можно поместить слева от знака равенства и это будет означать присваивание объекту, на который указывает ссылка. Значит, lvalue - это ссылка.

Окей, но ведь (почти любая) переменная тоже может быть слева от знака равенства. Значит, (такая) переменная - ссылка? Почти. Выражение, представляющее собой переменную - ссылка.

Иными словами, допустим, мы объявили int x . Теперь x - это переменная типа int TYPE и никакого другого. Это int и всё тут. Но если я теперь пишу x + 2 или x = 3 , то в этих выражениях подвыражение x имеет тип int &TYPE . Потому что иначе этот x ничем не отличался бы от, скажем, 10, и ему (как и десятке) нельзя было бы ничего присвоить.

Этот принцип («выражение, являющееся переменной - ссылка») - моя выдумка. Т. е. ни в каком учебнике, стандарте и т. д. я этот принцип не видел. Тем не менее, он многое упрощает и его удобно считать верным. Если бы я реализовывал компилятор, я бы просто считал там переменные в выражениях ссылками, и, вполне возможно, именно так и предполагается в реальных компиляторах.

Принцип «любое lvalue - ссылка» - тоже моя выдумка. А вот принцип «любая ссылка - lvalue» - вполне законный, общепризнанный принцип (разумеется, ссылка должна быть ссылкой на изменяемый объект, и этот объект должен допускать присваивание).

Теперь, с учётом наших соглашений, сформулируем строго правила работы со ссылками: если объявлено, скажем, int x , то теперь выражение x имеет тип int &TYPE . Если теперь это выражение (или любое другое выражение типа ссылка) стоит слева от знака равенства, то оно используется именно как ссылка, практически во всех остальных случаях (например, в ситуации x + 2) x автоматически конвертируется в тип int TYPE (ещё одной операцией, рядом с которой ссылка не конвертируется в свой объект, является &, как мы увидим далее). Слева от знака равенства может стоять только ссылка. Инициализировать (неконстантную) ссылку может только ссылка.

Операции * и & . Наши соглашения позволяют по-новому взглянуть на операции * и &. Теперь становится понятно следующее: операция * может применяться только к указателю (конкретно это было всегда известно) и она возвращает ссылку на тот же тип. & применяется всегда к ссылке и возвращает указатель того же типа. Таким образом, * и & превращают указатели и ссылки друг в друга. Т. е. по сути они вообще ничего не делают и лишь заменяют сущности одного синтаксиса на сущности другого! Таким образом, & вообще-то не совсем правильно называть операцией взятия адреса: она может быть применена лишь к уже существующему адресу, просто она меняет синтаксическое воплощение этого адреса.

Замечу, что указатели и ссылки объявляются как int *x и int &x . Таким образом, принцип «объявление подсказывает использование» лишний раз подтверждается: объявление указателя напоминает, как превратить его в ссылку, а объявление ссылки - наоборот.

Также замечу, что &*EXPR (здесь EXPR - это произвольное выражение, не обязательно один идентификатор) эквивалентно EXPR всегда, когда имеет смысл (т. е. всегда, когда EXPR - указатель), а *&EXPR тоже эквивалентно EXPR всегда, когда имеет смысл (т. е. когда EXPR - ссылка).

Массивы

Итак, есть такой тип данных - массив. Определяются массивы, например, так:
int x;
Выражение в квадратных скобках должно быть непременно константой времени компиляции в C89 и C++98. При этом в квадратных скобках должно стоять число, пустые квадратные скобки не допускаются.

Подобно тому, как все локальные переменные (напомню, мы предполагаем, что все примеры кода находятся внутри функций) находятся на стеке, массивы тоже находятся на стеке. Т. е. приведённый код привёл к выделению прямо на стеке огромного блока памяти размером 5 * sizeof (int) , в котором целиком размещается наш массив. Не нужно думать, что этот код объявил некий указатель, который указывает на память, размещённую где-то там далеко, в куче. Нет, мы объявили массив, самый настоящий. Здесь, на стеке.

Чему будет равно sizeof (x) ? Разумеется, оно будет равно размеру нашего массива, т. е. 5 * sizeof (int) . Если мы пишем
struct foo { int a; int b; };
то, опять-таки, место для массива будет целиком выделяться прямо внутри структуры, и sizeof от этой структуры будет это подтверждать.

От массива можно взять адрес (&x), и это будет самый настоящий указатель на то место, где этот массив расположен. Тип у выражения &x , как легко понять, будет int (*TYPE) . В начале массива размещён его нулевой элемент, поэтому адрес самого массива и адрес его нулевого элемента численно совпадают. Т. е. &x и &(x) численно равны (тут я лихо написал выражение &(x) , на самом деле в нём не всё так просто, к этому мы ещё вернёмся). Но эти выражения имеют разный тип - int (*TYPE) и int *TYPE , поэтому сравнить их при помощи == не получится. Но можно применить трюк с void * : следующее выражение будет истинным: (void *)&x == (void *)&(x) .

Хорошо, будем считать, я вас убедил, что массив - это именно массив, а не что-нибудь ещё. Откуда тогда берётся вся эта путаница между указателями и массивами? Дело в том, что имя массива почти при любых операциях преобразуется в указатель на его нулевой элемент.

Итак, мы объявили int x . Если мы теперь пишем x + 0 , то это преобразует наш x (который имел тип int TYPE , или, более точно, int (&TYPE)) в &(x) , т. е. в указатель на нулевой элемент массива x. Теперь наш x имеет тип int *TYPE .

Конвертирование имени массива в void * или применение к нему == тоже приводит к предварительному преобразованию этого имени в указатель на первый элемент, поэтому:
&x == x // ошибка компиляции, разные типы: int (*TYPE) и int *TYPE (void *)&x == (void *)x // истина x == x + 0 // истина x == &(x) // истина

Операция . Запись a[b] всегда эквивалентна *(a + b) (напомню, что мы не рассматриваем переопределения operator и других операций). Таким образом, запись x означает следующее:

• x эквивалентно *(x + 2)
• x + 2 относится к тем операциям, при которых имя массива преобразуется в указатель на его первый элемент, поэтому это происходит
• Далее, в соответствии с моими объяснениями выше, x + 2 эквивалентно (int *)((char *)x + 2 * sizeof (int)) , т. е. x + 2 означает «сдвинуть указатель x на два int"а»
• Наконец, от результата берётся операция разыменования и мы извлекаем тот объект, который размещён по этому сдвинутому указателю

Типы у участвовавших выражений следующие:
x // int (&TYPE), после преобразования типа: int *TYPE x + 2 // int *TYPE *(x + 2) // int &TYPE x // int &TYPE

Также замечу, что слева от квадратных скобок необязательно должен стоять именно массив, там может быть любой указатель. Например, можно написать (x + 2) , и это будет эквивалентно x . Ещё замечу, что *a и a всегда эквивалентны, как в случае, когда a - массив, так и когда a - указатель.

Теперь, как я и обещал, я возвращаюсь к &(x) . Теперь ясно, что в этом выражении сперва x преобразуется в указатель, затем к этому указателю в соответствии с вышеприведённым алгоритмом применяется и в результате получается значение типа int &TYPE , и наконец, при помощи & оно преобразуется к типу int *TYPE . Поэтому, объяснять при помощи этого сложного выражения (внутри которого уже выполняется преобразование массива к указателю) немного более простое понятие преобразования массива к указателю - это был немного мухлёж.

А теперь вопрос на засыпку : что такое &x + 1 ? Что ж, &x - это указатель на весь массив целиком, + 1 приводит к шагу на весь этот массив. Т. е. &x + 1 - это (int (*))((char *)&x + sizeof (int )) , т. е. (int (*))((char *)&x + 5 * sizeof (int)) (здесь int (*) - это int (*TYPE)). Итак, &x + 1 численно равно x + 5 , а не x + 1 , как можно было бы подумать. Да, в результате мы указываем на память, которая находится за пределами массива (сразу после последнего элемента), но кого это волнует? Ведь в C всё равно не проверяется выход за границы массива. Также, заметим, что выражение *(&x + 1) == x + 5 истинно. Ещё его можно записать вот так: (&x) == x + 5 . Также будет истинным *((&x)) == x , или, что тоже самое, (&x) == x (если мы, конечно, не схватим segmentation fault за попытку обращения за пределы нашей памяти:)).

Массив нельзя передать как аргумент в функцию . Если вы напишите int x или int x в заголовке функции, то это будет эквивалентно int *x и в функцию всегда будет передаваться указатель (sizeof от переданной переменной будет таким, как у указателя). При этом размер массива, указанный в заголовке будет игнорироваться. Вы запросто можете указать в заголовке int x и передать туда массив длины 3.

Однако, в C++ существует способ передать в функцию ссылку на массив:
void f (int (&x)) { // sizeof (x) здесь равен 5 * sizeof (int) } int main (void) { int x; f (x); // OK f (x + 0); // Нельзя int y; f (y); // Нельзя, не тот размер }
При такой передаче вы всё равно передаёте лишь ссылку, а не массив, т. е. массив не копируется. Но всё же вы получаете несколько отличий по сравнению с обычной передачей указателя. Передаётся ссылка на массив. Вместо неё нельзя передать указатель. Нужно передать именно массив указанного размера. Внутри функции ссылка на массив будет вести себя именно как ссылка на массив, например, у неё будет sizeof как у массива.

И что самое интересное, эту передачу можно использовать так:
// Вычисляет длину массива template size_t len (t (&a)[n]) { return n; }
Похожим образом реализована функция std::end в C++11 для массивов.

«Указатель на массив» . Строго говоря, «указатель на массив» - это именно указатель на массив и ничто другое. Иными словами:
int (*a); // Это указатель на массив. Самый настоящий. Он имеет тип int (*TYPE) int b; int *c = b; // Это не указатель на массив. Это просто указатель. Указатель на первый элемент некоего массива int *d = new int; // И это не указатель на массив. Это указатель
Однако, иногда под фразой «указатель на массив» неформально понимают указатель на область памяти, в которой размещён массив, даже если тип у этого указателя неподходящий. В соответствии с таким неформальным пониманием c и d (и b + 0) - это указатели на массивы.

Многомерные массивы . Если объявлено int x , то x - это не массив длины 5 неких указателей, указывающих куда-то далеко. Нет, x теперь - это единый монолитный блок размером 5 x 7, размещённый на стеке. sizeof (x) равен 5 * 7 * sizeof (int) . Элементы располагаются в памяти так: x , x , x , x , x , x , x , x и так далее. Когда мы пишем x , события развиваются так:
x // int (&TYPE), после преобразования: int (*TYPE) x // int (&TYPE), после преобразования: int *TYPE x // int &TYPE
То же самое относится к **x . Замечу, что в выражениях, скажем, x + 3 и **x + 3 в реальности извлечение из памяти происходит только один раз (несмотря на наличие двух звёздочек), в момент преобразования окончательной ссылки типа int &TYPE просто в int TYPE . Т. е. если бы мы взглянули на ассемблерный код, который генерируется из выражения **x + 3 , мы бы в нём увидели, что операция извлечения данных из памяти выполняется там только один раз. **x + 3 можно ещё по-другому записать как *(int *)x + 3 .

А теперь посмотрим на такую ситуацию:
int **y = new int *; for (int i = 0; i != 5; ++i) { y[i] = new int; }

Что теперь есть y? y - это указатель на массив (в неформальном смысле!) указателей на массивы (опять-таки, в неформальном смысле). Нигде здесь не появляется единый блок размера 5 x 7, есть 5 блоков размера 7 * sizeof (int) , которые могут находиться далеко друг от друга. Что есть y ?
y // int **&TYPE y // int *&TYPE y // int &TYPE
Теперь, когда мы пишем y + 3 , извлечение из памяти происходит два раза: извлечение из массива y и последующее извлечение из массива y , который может находиться далеко от массива y. Причина этого в том, что здесь не происходит преобразования имени массива в указатель на его первый элемент, в отличие от примера с многомерным массивом x. Поэтому **y + 3 здесь не эквивалентен *(int *)y + 3 .

Объясню ещё разок. x эквивалентно *(*(x + 2) + 3) . И y эквивалентно *(*(y + 2) + 3) . Но в первом случае наша задача найти «третий элемент во втором ряду» в едином блоке размера 5 x 7 (разумеется, элементы нумеруются с нуля, поэтому этот третий элемент будет в некотором смысле четвёртым:)). Компилятор вычисляет, что на самом деле нужный элемент находится на 2 * 7 + 3 -м месте в этом блоке и извлекает его. Т. е. x здесь эквивалентно ((int *)x) , или, что то же самое, *((int *)x + 2 * 7 + 3) . Во втором случае сперва извлекает 2-й элемент в массиве y, а затем 3-й элемент в полученном массиве.

В первом случае, когда мы делаем x + 2 , мы сдвигаемся сразу на 2 * sizeof (int ) , т. е. на 2 * 7 * sizeof (int) . Во втором случае, y + 2 - это сдвиг на 2 * sizeof (int *) .

В первом случае (void *)x и (void *)*x (и (void *)&x !) - это один и тот же указатель, во втором - это не так.