C语言中多维数组的替代方案

Question

我有以下代码：

 #define FIRST_COUNT 100
 #define X_COUNT 250
 #define Y_COUNT 310
 #define z_COUNT 40

struct s_tsp {

     short abc[FIRST_COUNT][X_COUNT][Y_COUNT][Z_COUNT];
};

struct s_tsp xyz;

我需要像这样浏览数据：

for (int i = 0; i < FIRST_COUNT; ++i)
    for (int j = 0; j < X_COUNT; ++j)
          for (int k = 0; k < Y_COUNT; ++k)
                for (int n = 0; n < Z_COUNT; ++n)
                      doSomething(xyz, i, j, k, n);

我已经尝试想到一种更优雅、更不蠢的方法。（我知道这种多维数组在CPU使用方面是低效的，但在这种情况下这是无关紧要的。）您认为是否有更好的方法来重构我这里的结构呢？

- PaeneInsula

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你想用这些数据做什么？如果不了解你的具体操作，很难给出建议。 - user1118321

Answer 1

如果您需要一个4D数组，那就是您需要的。但是将其“展平”为单维malloc()ed“数组”是可能的，但这并不是很干净的做法：

abc = malloc(sizeof(short)*FIRST_COUNT*X_COUNT*Y_COUNT*Z_COUNT);

访问也更加困难:

*(abc + FIRST_COUNT*X_COUNT*Y_COUNT*i + FIRST_COUNT*X_COUNT*j + FIRST_COUNT*k + n)

显然这有点麻烦。

但是你有一个优势，如果你需要简单地迭代每个元素，可以执行以下操作：

for (int i = 0; i < FIRST_COUNT*X_COUNT*Y_COUNT*Z_COUNT; i++) {
    doWhateverWith *(abc+i);
}

显然，对于大多数用途来说，这种方法非常丑陋，但对于一种访问类型来说则更加简洁。它还更节省内存，并且只需要一个指针解引用而不是四个。

- Dan

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你可以编写一个带有访问函数的小模块，并将类型封装在结构体中，以获得清晰的API。 - pmr

没错。如果你是个极坏的人，甚至可以使用宏来完成这件事。 - Dan

Answer 2

注意：本文中所使用的示例仅用于解释概念。因此，示例可能不完整，可能缺乏错误处理等。

在 C 中使用多维数组有两种可能的方法。

压平数组

在 C 中，数组被实现为一个连续的内存块。这个信息可以用来操作存储在数组中的值，并允许快速访问特定的数组位置。

例如，

int arr[10][10];
int *ptr = (int *)arr ;  

ptr[11] = 10; 
// this is equivalent to arr[1][0] = 10; assign a 2D array 
// and manipulate now as a single dimensional array. 

利用数组的连续性特征技术被称为数组扁平化。

不规则数组

现在考虑以下示例。

char **list;
list[0] = "United States of America";
list[1] = "India";
list[2] = "United Kingdom";
for(int i=0; i< 3 ;i++)
    printf(" %d ",strlen(list[i]));
// prints 24 5 14

这种实现方式称为“不规则数组”，在使用变量大小的字符串时非常有用。流行的方法是在每个维度上进行动态内存分配。

注意：命令行参数（`char * argv []`）只作为不规则数组传递。

比较展平和不规则数组：

现在，让我们考虑以下代码片段，它比较了“展平”和“不规则”数组。

/* Note: lacks error handling */
int flattened[30][20][10];
int ***ragged;
int i,j,numElements=0,numPointers=1;
ragged = (int ***) malloc(sizeof(int **) * 30);
numPointers += 30;
for( i=0; i<30; i++) {
    ragged[i] = (int **)malloc(sizeof(int*) * 20);
    numPointers += 20;
    for(j=0; j<20; j++) {
        ragged[i][j]=(int*)malloc(sizeof(int) * 10);
        numElements += 10;
    }
}

printf("Number of elements = %d",numElements);
printf("Number of pointers = %d",numPointers);

// it prints
// Number of elements = 6000
// Number of pointers = 631 

从上面的例子可以看出，ragged数组需要631个指针，换句话说，额外需要631 * sizeof(int *)的内存位置来指向6000个整数。而flattened数组只需要一个基本指针：也就是数组名称足以指向连续的6000个内存位置。

但是相反，ragged数组非常灵活。如果不知道需要多少内存位置，那么就不能有为最坏情况分配内存的奢侈。同样，在某些情况下，只有在运行时才知道所需的确切内存空间数量。在这种情况下，ragged数组非常方便。 数组的行主序和列主序 C采用行主序顺序处理多维数组。将数组展平可以看作是C中该方面影响的一种效果。C中行主序顺序的重要性在于它符合大多数编程访问数据的自然方式。例如，让我们看一个遍历N * M 2D矩阵的示例。

for(i=0; i<N; i++) {
    for(j=0; j<M; j++)
        printf(“%d ”, matrix[i][j]);
    printf("\n");
}

矩阵中的每一行都通过快速变换列来逐个访问，C数组按这种自然方式在内存中排列。相反，考虑以下示例，

for(i=0; i<M; i++) {
    for(j=0; j<N; j++)
        printf(“%d ”, matrix[j][i]);
    printf("\n");
}

这会更改列索引比行索引更频繁。因此，这两个代码片段之间的效率差异很大。是的，第一个比第二个更有效！

因为第一个按C的自然顺序（行优先）访问数组，所以它更快，而第二个需要更长时间才能跳转。随着维度数量和元素大小的增加，性能差异会加大。

因此，在使用C中的多维数组时，考虑上述细节是很好的选择！

- Sangeeth Saravanaraj

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你的代码存在一些重要问题，包括使用未初始化的变量和未定义的类型转换。 - dreamlax

@dreamlax 是的，这些代码片段是不完整的。它们旨在解释想法和概念。所以正如我所提到的，它缺少错误处理、释放已分配内存和未初始化内存。 - Sangeeth Saravanaraj