怎样将简单指针转换成固定大小的多维数组？

Question

我有一个函数，它接受一个指向浮点数数组的指针。根据其他条件，我知道该指针实际上指向一个2x2或3x3矩阵。（事实上，最初分配的内存就是如此，例如 float M[2][2]）重要的是，我想在函数体中进行这个判断，而不是作为函数参数。

void calcMatrix( int face, float * matrixReturnAsArray )
{
    // Here, I would much rather work in natural matrix notation
    if( is2x2 )
    {
        // ### cast matrixReturnAsArray to somethingAsMatrix[2][2]
        somethingAsMatrix[0][1] = 2.002;
        // etc..
    }
    else if(is3x3)
    { //etc...
    }

}

我知道我可以使用模板和其他技术来更好地解决这个问题。我的问题实际上是关于如何在###注释处进行这样的转换。使用C++工作。

- NoahR

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我认为你正在尝试解决错误的问题（即“如何转换？”很少是正确的问题）。我曾经为“如何轻松使用多维数组？”这个问题编写了一个简单的解决方案：http://ideone.com/gytw7 - R. Martinho Fernandes

除非进行了不应该进行的可怕转换（如果编译器允许也会让我惊讶），否则 float * 没有指向多维任何内容的方法。 float * 指向一个浮点数，它可能是单维浮点数组中的第一个值。但它不指向任何子数组，正如您需要多维数组一样。2x2 和 3x3 都是二维的，因此两者都可以是 float **。不过，实际上，您最好创建（或查找）并使用专用的 Matrix 类。 - KRyan

@DragoonWraith：很抱歉，但你是错的。float a[2][2]与float**不兼容。 - Ben Voigt

@DragoonWraith说的仍然不正确。float a[2][2]; 仍然是一个存储在连续内存中的单个 float 序列，但具备编译器提供的二维地址计算。你可以写 float* p = &a[0][0]; 然后自己进行索引计算。 - Ben Voigt

相关：将指针转换为二维数组 / 创建指向二维数组的指针 - Peter Cordes

Answer 1

float (*somethingAsMatrix)[2] = (float (*)[2]) matrixReturnAsArray;

- ecatmur

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谢谢。现在肯定可以工作了。我只是想澄清一下，关于声明情况下float aMDarray [3] [3]的元素保证连续排列的观念是否存在误解。 - NoahR

@NoahR：这是连续的，并且与您建议的用法兼容。 - Ben Voigt

我尝试了这种技术，但Mac OS X C++编译器显示“error: assigning to 'double ()[LDN]' from incompatible type 'double ()[LDN]'”。请注意，两个报告的类型是相同的！那么为什么它们不能被分配？我的代码看起来像这样：double (*F)[LDN]; F=(double (*)[LDN])AF; 我还尝试在声明中初始化，但得到了类似的错误消息。 - Jason

为什么这个能够工作？是否有关于这种转换和指针与数组符号混合的类型的清晰文档？谢谢。 - Hugo

@Hugo 是的，没错 - cdecl.org 上写着 "将 identifier 声明为指向包含 2 个 float 元素的数组的指针"。 - ecatmur

Answer 2

float * 可以指向一个数组的第一个元素，并且应该可以重新解释为该数组类型。该转换的结果可以指向一个 float [][] 的第一个元素，因此也应该可以重新解释为该类型，以此类推。您应该能够组合这些转换并直接执行：

float (&arr)[2][2] = *reinterpret_cast<float (*)[2][2]>(matrixReturnAsArray);

类型为float **的参数不同，不能以这种方式使用。

为了避免未定义的行为，指针必须来源于实际的多维数组，如果直接使用float*，则只能访问多维矩阵的第一行。

void foo(float *f) {
    f[3] = 10.;

    float (&arr)[2][2] = *reinterpret_cast<float (*)[2][2]>(f);
    arr[1][1] = 10.;
}

void main() {
    float a[2][2];
    foo(&a[0][0]); // f[3] = 10.; is undefined behavior, arr[1][1] = 10. is well defined

    float b[4];
    foo(&b[0]); // f[3] = 10.; is well-defined behavior, arr[1][1] = 10. is undefined
}

给定float arr[2][2];，无法保证&arr[0][1] + 1与&arr[1][0]相同，据我所知。因此，虽然您可以通过执行f[i*width+j]来将单个一维数组用作多维数组，但不能将多维数组视为单个一维数组。

最好使用C++的编译时类型安全，而不仅仅依靠不意外传递错误或执行错误的reinterpret_cast。要使用原始数组获得类型安全性，应该使用引用到您想要的原始数组类型：

void foo(float (&f)[2][2]) {}
void foo(float (&f)[3][3]) {}

如果您想按值传递数组，则无法使用原始数组，而应该使用类似std::array的东西:

void foo(std::array<std::array<float,2>,2> f) {}
void foo(std::array<std::array<float,3>,3> f) {}

- bames53

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“sizeof(T[N])”不是保证恰好为“N * sizeof(T)”吗？ - Ben Voigt

我知道标准中有一条非规范性注释提到了那个问题。如果你能找到任何规范性的内容，请告诉我。 - bames53

5.3.3p2 直接说明是必需的。在我的看法中，它具有规范性（不在“注释”内）。 - Ben Voigt

如果没有其他的，那行代码禁止在数组末尾填充，因为那行代码是规范性的。 - Ben Voigt

如果没有其他实际暗示该行所暗示的内容，那么我不会将其视为规范性声明，我只会将其视为事实上的错误陈述和标准中的错误。 - bames53

Answer 3

这种类型的转换总是更加清晰，使用typedef可以更容易地处理它。

typedef float Matrix_t[2][2];

Matrix_t* someThingAsMatrix = (Matrix_t*) matrixReturnAsArray;

如果这是 C++ 而不是 C，你应该创建一个矩阵类。（或者更好的方法是寻找一个开源的矩阵类库。）

- Gort the Robot

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使用 someThingAsMatrix[1][1] = 2.0f; 会导致“float”无法分配给“float [2]”不兼容类型。 - NoahR

typedef仍然有用，但您需要：typedef float MatrixRow [2]; MatrixRow* someThingAsMatrix = (MatrixRow*) matrixReturnAsArray; 这相当于ecatmur的答案。 - Ben Voigt

Answer 4

如果我没记错的话：
typedef float Matrix_t[2][2];
Matrix_t &matrix = *(Matrix_t *)matrixReturnAsArray;
或者
float (&matrix2)[2][2] = *(float ( *)[2][2])matrixReturnAsArray;

在C语言中只有指针这一种方式
Matrix_t *someThingAsMatrix = (Matrix_t *)matrixReturnAsArray;
然后通过以下方式进行访问：
(*someThingAsMatrix)[1][0] = ...

- cerv