CSP-J教程——第一阶段第九、十课：数组与字符串

课程目标

• 理解数组的概念和用途
• 掌握一维数组的定义、初始化和访问
• 学会数组遍历和经典应用
• 掌握字符串的基本操作
• 理解批量数据处理的思想
• 为后续算法学习打下基础

---

第一部分：数组的概念（40分钟）

1.1 什么是数组？

生活比喻：

• 储物柜：一排编号的储物格，每个格子可以放东西
• 学生座位表：按学号排列的座位，每个位置坐一个学生
• 火车车厢：连续的车厢，每节车厢有编号和乘客

1.2 为什么需要数组？

没有数组的困境：

// 要存储5个学生的成绩
int score1, score2, score3, score4, score5;
cin >> score1 >> score2 >> score3 >> score4 >> score5;

// 要计算平均分
double average = (score1 + score2 + score3 + score4 + score5) / 5.0;

// 如果要处理100个学生呢？需要100个变量！

使用数组的便利：

// 使用数组存储5个学生的成绩
int scores[5];
for (int i = 0; i < 5; i++) {
    cin >> scores[i];
}

// 计算平均分
int sum = 0;
for (int i = 0; i < 5; i++) {
    sum += scores[i];
}
double average = sum / 5.0;

1.3 数组的特点

1. 相同类型：数组中所有元素的数据类型相同
2. 连续存储：元素在内存中连续存放
3. 固定大小：数组一旦创建，大小不能改变
4. 索引访问：通过下标（索引）访问元素

---

第二部分：一维数组的基本操作（60分钟）

2.1 数组的定义和初始化

定义数组：

数据类型 数组名[数组大小];

示例：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    // 定义数组的不同方式
    int numbers1[5];           // 定义包含5个整数的数组（未初始化）
    int numbers2[5] = {1, 2, 3, 4, 5};  // 定义并初始化
    int numbers3[] = {1, 2, 3, 4, 5};   // 自动推断大小为5
    int numbers4[5] = {1, 2};           // 前两个元素初始化，其余为0
    
    // 访问数组元素
    numbers1[0] = 10;          // 给第一个元素赋值
    cout << numbers2[2] << endl; // 输出第三个元素：3
    
    return 0;
}

2.2 数组的访问和遍历

数组索引：

• 索引从0开始，不是从1开始！
• 有效索引范围：0 到 数组大小-1
• 访问越界是常见错误

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int scores[5] = {85, 92, 78, 96, 88};
    
    // 逐个访问
    cout << "第一个学生成绩: " << scores[0] << endl;
    cout << "第三个学生成绩: " << scores[2] << endl;
    
    // 使用循环遍历数组
    cout << "所有成绩: ";
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        cout << scores[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    
    // 修改数组元素
    scores[1] = 95;  // 修改第二个学生的成绩
    cout << "修改后的第二个成绩: " << scores[1] << endl;
    
    return 0;
}

2.3 数组大小和边界检查

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    const int SIZE = 5;  // 使用常量定义数组大小
    int numbers[SIZE] = {10, 20, 30, 40, 50};
    
    // 正确遍历
    cout << "正确遍历: ";
    for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
        cout << numbers[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    
    // 错误：访问越界（危险！）
    // cout << numbers[5] << endl;  // 索引5不存在！
    // cout << numbers[-1] << endl; // 索引-1不存在！
    
    // 使用sizeof计算数组大小
    int byteSize = sizeof(numbers);        // 整个数组的字节数
    int elementSize = sizeof(numbers[0]);  // 每个元素的字节数
    int elementCount = byteSize / elementSize; // 元素个数
    
    cout << "数组总字节数: " << byteSize << endl;
    cout << "每个元素字节数: " << elementSize << endl;
    cout << "元素个数: " << elementCount << endl;
    
    return 0;
}

---

第三部分：数组的经典应用（80分钟）

3.1 求最大值和最小值

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    const int SIZE = 7;
    int temperatures[SIZE] = {25, 28, 30, 22, 26, 29, 27};
    
    // 找最高温度
    int maxTemp = temperatures[0];  // 假设第一个是最大值
    for (int i = 1; i < SIZE; i++) {
        if (temperatures[i] > maxTemp) {
            maxTemp = temperatures[i];
        }
    }
    
    // 找最低温度
    int minTemp = temperatures[0];  // 假设第一个是最小值
    for (int i = 1; i < SIZE; i++) {
        if (temperatures[i] < minTemp) {
            minTemp = temperatures[i];
        }
    }
    
    cout << "一周温度: ";
    for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
        cout << temperatures[i] << "°C ";
    }
    cout << endl;
    
    cout << "最高温度: " << maxTemp << "°C" << endl;
    cout << "最低温度: " << minTemp << "°C" << endl;
    
    return 0;
}

3.2 求和与平均值

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    const int SIZE = 5;
    double expenses[SIZE] = {45.5, 28.0, 63.2, 19.8, 52.1};
    
    // 计算总支出
    double total = 0;
    for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
        total += expenses[i];
    }
    
    // 计算平均支出
    double average = total / SIZE;
    
    // 找出高于平均值的支出
    cout << "所有支出: ";
    for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
        cout << expenses[i] << "元 ";
    }
    cout << endl;
    
    cout << "总支出: " << total << "元" << endl;
    cout << "平均支出: " << average << "元" << endl;
    
    cout << "高于平均值的支出: ";
    for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
        if (expenses[i] > average) {
            cout << expenses[i] << "元 ";
        }
    }
    cout << endl;
    
    return 0;
}

3.3 计数和统计

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    const int SIZE = 10;
    int scores[SIZE] = {85, 92, 78, 45, 96, 88, 62, 75, 91, 53};
    
    int excellent = 0;  // 优秀（90-100）
    int good = 0;       // 良好（80-89）
    int pass = 0;       // 及格（60-79）
    int fail = 0;       // 不及格（0-59）
    
    // 统计各个等级的人数
    for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
        if (scores[i] >= 90) {
            excellent++;
        } else if (scores[i] >= 80) {
            good++;
        } else if (scores[i] >= 60) {
            pass++;
        } else {
            fail++;
        }
    }
    
    cout << "成绩统计结果:" << endl;
    cout << "优秀（90-100）: " << excellent << "人" << endl;
    cout << "良好（80-89）: " << good << "人" << endl;
    cout << "及格（60-79）: " << pass << "人" << endl;
    cout << "不及格（0-59）: " << fail << "人" << endl;
    
    // 计算百分比
    cout << "优秀率: " << (excellent * 100.0 / SIZE) << "%" << endl;
    cout << "及格率: " << ((excellent + good + pass) * 100.0 / SIZE) << "%" << endl;
    
    return 0;
}

3.4 数组排序（选择排序）

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    const int SIZE = 6;
    int numbers[SIZE] = {64, 25, 12, 22, 11, 5};
    
    cout << "排序前: ";
    for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
        cout << numbers[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    
    // 选择排序算法
    for (int i = 0; i < SIZE - 1; i++) {
        // 找到从i到末尾的最小元素的索引
        int minIndex = i;
        for (int j = i + 1; j < SIZE; j++) {
            if (numbers[j] < numbers[minIndex]) {
                minIndex = j;
            }
        }
        
        // 交换当前元素和最小元素
        int temp = numbers[i];
        numbers[i] = numbers[minIndex];
        numbers[minIndex] = temp;
        
        // 显示每一轮排序的结果
        cout << "第" << i + 1 << "轮: ";
        for (int k = 0; k < SIZE; k++) {
            cout << numbers[k] << " ";
        }
        cout << endl;
    }
    
    cout << "排序后: ";
    for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
        cout << numbers[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    
    return 0;
}

3.5 数组搜索

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    const int SIZE = 8;
    int numbers[SIZE] = {23, 45, 67, 12, 89, 34, 56, 78};
    int target;
    
    cout << "数组内容: ";
    for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
        cout << numbers[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    
    cout << "请输入要查找的数字: ";
    cin >> target;
    
    // 线性搜索
    bool found = false;
    int position = -1;
    
    for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
        if (numbers[i] == target) {
            found = true;
            position = i;
            break;  // 找到后立即退出循环
        }
    }
    
    if (found) {
        cout << "找到了！数字 " << target << " 在数组中的位置是: " << position << endl;
    } else {
        cout << "没有找到数字 " << target << endl;
    }
    
    return 0;
}

---

第四部分：字符串基础（60分钟）

4.1 什么是字符串？

字符串的概念：

• 字符串是字符的序列
• 在C++中，字符串可以用字符数组或string类表示
• 字符串以空字符\0结尾

4.2 字符数组表示字符串

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    // 方式1：字符数组（C风格字符串）
    char str1[6] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', '\0'};
    char str2[] = "Hello";  // 自动添加\0
    char name[20];
    
    cout << "str1: " << str1 << endl;
    cout << "str2: " << str2 << endl;
    
    // 输入字符串
    cout << "请输入你的名字: ";
    cin >> name;
    cout << "你好, " << name << "!" << endl;
    
    // 遍历字符数组
    cout << "字符串字符: ";
    for (int i = 0; str2[i] != '\0'; i++) {
        cout << str2[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    
    return 0;
}

4.3 string类的基本使用

#include <iostream>
#include <string>  // 必须包含string头文件
using namespace std;

int main() {
    // string类的定义和初始化
    string str1 = "Hello";
    string str2("World");
    string str3;
    
    // 字符串赋值
    str3 = "C++";
    
    // 字符串连接
    string greeting = str1 + " " + str2 + "!";
    cout << greeting << endl;
    
    // 字符串输入
    string name;
    cout << "请输入你的全名: ";
    cin >> name;  // 遇到空格停止
    cout << "你好, " << name << "!" << endl;
    
    // 使用getline读取整行
    cin.ignore();  // 清除之前的换行符
    cout << "请重新输入你的全名: ";
    getline(cin, name);
    cout << "你好, " << name << "!" << endl;
    
    return 0;
}

4.4 字符串常用操作

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int main() {
    string text = "Hello C++ Programming";
    
    // 字符串长度
    cout << "字符串: " << text << endl;
    cout << "长度: " << text.length() << endl;
    
    // 访问单个字符
    cout << "第一个字符: " << text[0] << endl;
    cout << "最后一个字符: " << text[text.length() - 1] << endl;
    
    // 字符串比较
    string str1 = "apple";
    string str2 = "banana";
    
    if (str1 == str2) {
        cout << str1 << " 等于 " << str2 << endl;
    } else if (str1 < str2) {
        cout << str1 << " 在 " << str2 << " 前面" << endl;
    } else {
        cout << str1 << " 在 " << str2 << " 后面" << endl;
    }
    
    // 子字符串
    string substring = text.substr(6, 3);  // 从位置6开始，取3个字符
    cout << "子字符串: " << substring << endl;
    
    // 查找子字符串
    int position = text.find("C++");
    if (position != string::npos) {
        cout << "找到 'C++' 在位置: " << position << endl;
    } else {
        cout << "没有找到 'C++'" << endl;
    }
    
    return 0;
}

---

第五部分：字符串应用示例（60分钟）

5.1 字符串统计

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int main() {
    string text;
    
    cout << "请输入一段文本: ";
    getline(cin, text);
    
    int letterCount = 0, digitCount = 0, spaceCount = 0, otherCount = 0;
    
    // 统计各种字符的个数
    for (int i = 0; i < text.length(); i++) {
        char ch = text[i];
        
        if ((ch >= 'a' && ch <= 'z') || (ch >= 'A' && ch <= 'Z')) {
            letterCount++;
        } else if (ch >= '0' && ch <= '9') {
            digitCount++;
        } else if (ch == ' ') {
            spaceCount++;
        } else {
            otherCount++;
        }
    }
    
    cout << "\n=== 字符统计结果 ===" << endl;
    cout << "总字符数: " << text.length() << endl;
    cout << "字母个数: " << letterCount << endl;
    cout << "数字个数: " << digitCount << endl;
    cout << "空格个数: " << spaceCount << endl;
    cout << "其他字符: " << otherCount << endl;
    
    return 0;
}

5.2 字符串反转

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int main() {
    string str;
    
    cout << "请输入一个字符串: ";
    getline(cin, str);
    
    cout << "原始字符串: " << str << endl;
    
    // 方法1：创建新字符串
    string reversed1;
    for (int i = str.length() - 1; i >= 0; i--) {
        reversed1 += str[i];
    }
    cout << "反转字符串(方法1): " << reversed1 << endl;
    
    // 方法2：原地反转
    string reversed2 = str;  // 复制原字符串
    int left = 0, right = reversed2.length() - 1;
    while (left < right) {
        // 交换左右字符
        char temp = reversed2[left];
        reversed2[left] = reversed2[right];
        reversed2[right] = temp;
        
        left++;
        right--;
    }
    cout << "反转字符串(方法2): " << reversed2 << endl;
    
    return 0;
}

5.3 回文判断

#include <iostream>
#include <string>
#include <cctype>  // 用于tolower函数
using namespace std;

int main() {
    string str;
    
    cout << "请输入一个字符串: ";
    getline(cin, str);
    
    // 预处理：转换为小写，移除非字母数字字符
    string processed;
    for (char ch : str) {
        if (isalnum(ch)) {  // 如果是字母或数字
            processed += tolower(ch);
        }
    }
    
    // 判断是否是回文
    bool isPalindrome = true;
    int left = 0, right = processed.length() - 1;
    
    while (left < right) {
        if (processed[left] != processed[right]) {
            isPalindrome = false;
            break;
        }
        left++;
        right--;
    }
    
    cout << "\"" << str << "\" ";
    if (isPalindrome) {
        cout << "是回文！" << endl;
    } else {
        cout << "不是回文。" << endl;
    }
    
    return 0;
}

5.4 简单加密解密

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int main() {
    string text;
    int key;
    
    cout << "请输入要加密的文本: ";
    getline(cin, text);
    cout << "请输入加密密钥(1-25): ";
    cin >> key;
    
    // 加密
    string encrypted = text;
    for (int i = 0; i < encrypted.length(); i++) {
        char ch = encrypted[i];
        
        if (isalpha(ch)) {
            char base = islower(ch) ? 'a' : 'A';
            encrypted[i] = (ch - base + key) % 26 + base;
        }
    }
    cout << "加密结果: " << encrypted << endl;
    
    // 解密
    string decrypted = encrypted;
    for (int i = 0; i < decrypted.length(); i++) {
        char ch = decrypted[i];
        
        if (isalpha(ch)) {
            char base = islower(ch) ? 'a' : 'A';
            decrypted[i] = (ch - base - key + 26) % 26 + base;
        }
    }
    cout << "解密结果: " << decrypted << endl;
    
    return 0;
}

---

第六部分：综合应用项目（60分钟）

6.1 学生成绩管理系统

#include <iostream>
#include <string>
#include <iomanip>
using namespace std;

const int MAX_STUDENTS = 50;

int main() {
    string names[MAX_STUDENTS];
    int scores[MAX_STUDENTS];
    int studentCount = 0;
    int choice;
    
    do {
        // 显示菜单
        cout << "\n=== 学生成绩管理系统 ===" << endl;
        cout << "1. 添加学生成绩" << endl;
        cout << "2. 显示所有成绩" << endl;
        cout << "3. 查找学生成绩" << endl;
        cout << "4. 统计成绩分析" << endl;
        cout << "5. 成绩排序" << endl;
        cout << "0. 退出系统" << endl;
        cout << "请选择操作: ";
        cin >> choice;
        
        switch (choice) {
            case 1: {
                // 添加学生成绩
                if (studentCount >= MAX_STUDENTS) {
                    cout << "学生数量已满！" << endl;
                    break;
                }
                
                cout << "请输入学生姓名: ";
                cin >> names[studentCount];
                cout << "请输入" << names[studentCount] << "的成绩: ";
                cin >> scores[studentCount];
                
                studentCount++;
                cout << "添加成功！" << endl;
                break;
            }
            
            case 2: {
                // 显示所有成绩
                if (studentCount == 0) {
                    cout << "还没有学生数据！" << endl;
                    break;
                }
                
                cout << "\n=== 所有学生成绩 ===" << endl;
                cout << left << setw(15) << "姓名" << setw(10) << "成绩" << "等级" << endl;
                cout << string(35, '-') << endl;
                
                for (int i = 0; i < studentCount; i++) {
                    string grade;
                    if (scores[i] >= 90) grade = "优秀";
                    else if (scores[i] >= 80) grade = "良好";
                    else if (scores[i] >= 70) grade = "中等";
                    else if (scores[i] >= 60) grade = "及格";
                    else grade = "不及格";
                    
                    cout << left << setw(15) << names[i] 
                         << setw(10) << scores[i] 
                         << grade << endl;
                }
                break;
            }
            
            case 3: {
                // 查找学生成绩
                if (studentCount == 0) {
                    cout << "还没有学生数据！" << endl;
                    break;
                }
                
                string searchName;
                cout << "请输入要查找的学生姓名: ";
                cin >> searchName;
                
                bool found = false;
                for (int i = 0; i < studentCount; i++) {
                    if (names[i] == searchName) {
                        cout << "找到学生: " << names[i] << endl;
                        cout << "成绩: " << scores[i] << endl;
                        found = true;
                        break;
                    }
                }
                
                if (!found) {
                    cout << "没有找到学生: " << searchName << endl;
                }
                break;
            }
            
            case 4: {
                // 统计成绩分析
                if (studentCount == 0) {
                    cout << "还没有学生数据！" << endl;
                    break;
                }
                
                int sum = 0, maxScore = scores[0], minScore = scores[0];
                int excellent = 0, good = 0, medium = 0, pass = 0, fail = 0;
                
                for (int i = 0; i < studentCount; i++) {
                    sum += scores[i];
                    
                    if (scores[i] > maxScore) maxScore = scores[i];
                    if (scores[i] < minScore) minScore = scores[i];
                    
                    if (scores[i] >= 90) excellent++;
                    else if (scores[i] >= 80) good++;
                    else if (scores[i] >= 70) medium++;
                    else if (scores[i] >= 60) pass++;
                    else fail++;
                }
                
                double average = static_cast<double>(sum) / studentCount;
                
                cout << "\n=== 成绩统计分析 ===" << endl;
                cout << "学生总数: " << studentCount << endl;
                cout << "平均分: " << fixed << setprecision(2) << average << endl;
                cout << "最高分: " << maxScore << endl;
                cout << "最低分: " << minScore << endl;
                cout << "优秀(90-100): " << excellent << "人 (" 
                     << (excellent * 100.0 / studentCount) << "%)" << endl;
                cout << "良好(80-89): " << good << "人 (" 
                     << (good * 100.0 / studentCount) << "%)" << endl;
                cout << "中等(70-79): " << medium << "人 (" 
                     << (medium * 100.0 / studentCount) << "%)" << endl;
                cout << "及格(60-69): " << pass << "人 (" 
                     << (pass * 100.0 / studentCount) << "%)" << endl;
                cout << "不及格(0-59): " << fail << "人 (" 
                     << (fail * 100.0 / studentCount) << "%)" << endl;
                break;
            }
            
            case 5: {
                // 成绩排序（按成绩降序）
                if (studentCount == 0) {
                    cout << "还没有学生数据！" << endl;
                    break;
                }
                
                // 使用选择排序按成绩降序排列
                for (int i = 0; i < studentCount - 1; i++) {
                    int maxIndex = i;
                    for (int j = i + 1; j < studentCount; j++) {
                        if (scores[j] > scores[maxIndex]) {
                            maxIndex = j;
                        }
                    }
                    
                    // 交换成绩
                    int tempScore = scores[i];
                    scores[i] = scores[maxIndex];
                    scores[maxIndex] = tempScore;
                    
                    // 交换姓名
                    string tempName = names[i];
                    names[i] = names[maxIndex];
                    names[maxIndex] = tempName;
                }
                
                cout << "成绩排序完成！" << endl;
                break;
            }
            
            case 0:
                cout << "感谢使用学生成绩管理系统！" << endl;
                break;
                
            default:
                cout << "无效选择，请重新输入！" << endl;
        }
        
    } while (choice != 0);
    
    return 0;
}

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练习与作业

基础练习（必做）

练习1：数组基础操作

创建一个包含10个整数的数组，完成以下操作：

1. 从键盘输入10个数字
2. 计算数组元素的总和和平均值
3. 找出最大值和最小值及其位置
4. 将数组元素逆序存放

练习2：字符串处理

编写程序处理字符串：

1. 输入一个字符串，统计其中元音字母的个数
2. 将字符串中的所有空格替换为下划线
3. 判断字符串是否包含数字
4. 将字符串中的大写字母转换为小写

练习3：成绩分析

使用数组存储一个班级的成绩（最多50人）：

1. 输入成绩（输入-1结束）
2. 计算平均分、最高分、最低分
3. 统计各分数段人数
4. 按成绩从高到低排序

挑战练习（选做）

挑战1：矩阵运算

实现3×3矩阵的基本运算：

• 矩阵加法
• 矩阵乘法
• 矩阵转置
• 求矩阵对角线元素和

挑战2：字符串压缩

实现简单的字符串压缩算法：

• 将连续重复的字符压缩为"字符+次数"
• 例如："aaabbc"压缩为"a3b2c1"
• 实现解压缩功能

挑战3：简单投票系统

模拟选举投票系统：

• 存储候选人姓名和得票数
• 实现投票功能
• 统计投票结果
• 找出获胜者

实验任务

任务1：数组边界测试

测试数组越界访问的后果：

int arr[5] = {1,2,3,4,5};
// 尝试访问arr[5], arr[6], arr[-1]等
// 观察程序行为并记录结果

任务2：字符串内存测试

测试不同字符串初始化方式的内存使用：

char str1[] = "Hello";
char str2[10] = "Hello";
string str3 = "Hello";
// 使用sizeof测试各字符串的大小

任务3：排序算法比较

实现冒泡排序和选择排序，比较：

• 代码复杂度
• 执行效率
• 交换次数

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学习总结

今天学到了：

• ✅ 数组概念：相同类型元素的集合
• ✅ 数组操作：定义、初始化、访问、遍历
• ✅ 数组应用：求最值、求和、计数、排序
• ✅ 字符串基础：字符数组和string类
• ✅ 字符串操作：长度、连接、比较、查找
• ✅ 批量处理：使用循环处理数组和字符串

关键技能：

• 数组设计：合理选择数组大小和数据类型
• 循环遍历：使用循环处理数组元素
• 算法思维：实现排序、搜索等基本算法
• 字符串处理：文本数据的各种操作

下一课预告：

下一节课我们将学习函数与递归初步，包括函数的定义、调用、参数传递，让代码更加模块化和可复用！

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