Arduino - 数组

Arduino - 现代数组处理

数组是一种基本数据结构，用于存储相同数据类型的固定大小、顺序集合。可以将其视为一排带有标签的盒子，每个盒子都存放着相同类型的值（例如，都是整数）。

理解数组概念

要访问数组中的特定元素，您需要使用其名称和索引。索引（或下标）指定了元素的位置。

• 零基索引：在C++（Arduino的编程语言）中，数组索引从0开始。第一个元素位于索引0，第二个位于索引1，依此类推。
• 最后一个元素：最后一个元素的索引始终是arraySize - 1。

让我们可视化一个名为sensorReadings的int类型数组，其中包含5个元素：

Array name: sensorReadings

Index:    [0]   [1]   [2]   [3]   [4]
         +-----+-----+-----+-----+-----+
Value:   | 452 | 455 | 450 | 458 | 454 |
         +-----+-----+-----+-----+-----+

// 要访问值450，您可以使用：
sensorReadings[2]

声明和初始化数组

在使用数组之前，必须先声明它，指定其类型、名称和大小。一种现代的最佳实践是使用const或constexpr变量来定义大小，以避免魔术数字并使代码更易于维护。

// 最佳实践：将大小定义为常量。
const int SENSOR_COUNT = 5;

// 声明一个包含5个元素的整数数组。
int sensorReadings[SENSOR_COUNT];

数组可以通过多种方式初始化。

示例1：使用初始化列表进行初始化

最常见和简洁的方法是在声明中直接提供值。

// 编译器自动从列表中推断大小。
int ledPins[] = {2, 3, 4, 5, 6};

void setup() {
  Serial.begin(9600);

  Serial.println("Configuring LED pins...");

  // 遍历数组的一种现代、安全方式：基于范围的for循环
  for (int pin : ledPins) {
    pinMode(pin, OUTPUT);
    Serial.print("Pin ");
    Serial.print(pin);
    Serial.println(" configured as OUTPUT.");
  }
}

void loop() {
  // 本示例中为空
}

示例2：使用循环进行初始化

有时您需要用计算值初始化数组。for循环是实现此目的的完美选择。

const int NUM_VALUES = 10;
int squaredValues[NUM_VALUES];

void setup() {
  Serial.begin(9600);

  // 使用索引的平方（i*i）初始化数组
  for (int i = 0; i < NUM_VALUES; ++i) {
    squaredValues[i] = i * i;
  }

  Serial.println("Array Initialized. Contents:");
  // 打印数组内容进行验证
  for (int i = 0; i < NUM_VALUES; ++i) {
    Serial.print("Index ");
    Serial.print(i);
    Serial.print(": ");
    Serial.println(squaredValues[i]);
  }
}

void loop() {
  // 本示例中为空
}

使用数组：一个实际示例

示例3：计算传感器读数的平均值

此程序计算存储在数组中的一系列模拟传感器读数的平均值。它演示了迭代和常见的计算。

// 传感器读数数组
int sensorReadings[] = {87, 68, 94, 100, 83, 78, 85, 91, 76, 87};

// 一种健壮的计算数组大小的方法，它会随着数组的更改而调整
const int NUM_READINGS = sizeof(sensorReadings) / sizeof(sensorReadings[0]);

void setup() {
  Serial.begin(9600);

  long total = 0; // 使用'long'类型计算总和以避免大数组溢出

  // 对数组内容求和
  for (int i = 0; i < NUM_READINGS; ++i) {
    total += sensorReadings[i];
  }

  // 将平均值计算为浮点数
  float average = (float)total / NUM_READINGS;

  Serial.print("Total of array elements: ");
  Serial.println(total);
  Serial.print("Number of readings: ");
  Serial.println(NUM_READINGS);
  Serial.print("Average reading: ");
  Serial.println(average);
}

void loop() {
  // 主循环为空，因为计算只执行一次。
}

预期输出

Total of array elements: 849
Number of readings: 10
Average reading: 84.90

常见错误与最佳实践

• 越界错误：最常见的错误是尝试访问不存在的元素（例如，在5个元素的数组中访问myArray[5]）。C++不会阻止这种情况！它会从相邻内存中读取或写入，导致难以追踪的不可预测的崩溃和错误。请始终警惕您的循环条件（< size，而不是<= size）。
• 差一错误：与零基索引相关的经典错误。忘记最后一个元素在size - 1处通常会导致越界访问。
• 使用sizeof计算数组长度：sizeof(array) / sizeof(array[0])模式是确定数组元素数量的标准、健壮方法。如果您从初始化列表中添加或删除元素，它会自动适应。
• 使用基于范围的for循环：当您只需要读取数组中的每个元素时，for (int element : myArray)语法更简洁、更安全，因为它消除了越界错误的可能。

高级主题

概念	描述
多维数组	数组可以有多个维度。例如，int table[3][4];创建了一个2D数组（一个网格或表格），有3行4列。这些对于表示网格、矩阵或游戏棋盘非常有用。
将数组传递给函数	您可以将数组传递给函数对其进行操作。通常，您会传递数组本身（它充当指向第一个元素的指针）及其大小作为单独的参数，以防止函数内部的越界访问。
现代C++容器	对于更高级的项目或在更强大的开发板（如ESP32）上，考虑使用C++标准库容器，如std::array或std::vector。std::array是一个固定大小的容器，内存占用与C风格数组相似，但具有更现代的接口。std::vector是一个动态数组，可以根据需要增长和收缩。