C++ 语法差异：2D 和 1D 数组（指针算术）

Question

问题

我正在学习 C++，并且正在编写代码来转置二维数组和反转一维数组。

请查看调用。为什么我必须使用reverse(arr, 4) 进行反向，而我必须使用transpose(*in_matrix, *out_matrix) 进行转置？

每个函数签名有两种编写方式。两者似乎给出了相同的结果。

谢谢。

编辑：我知道如何用数组下标来解决它。我特意这样做是为了练习。现在我明白了尝试这个没有意义。但是，我添加了一些从下面的答案中总结出来的注释。

代码

#include <iostream>
using namespace std;

const int LENGTH = 2;
const int WIDTH = 3;

void printArray(const int arr[], const int N) {
    cout << arr[0]; 
    for (int i = 1; i < N; ++i) {
        cout << ", " << arr[i];
    }
    cout << "\n";
}

// void transpose(int* const input, int* const output) { // both these signatures
void transpose(const int input[], int output[]) {        // works (I find the top one clearer)
    for (int i = 0; i < WIDTH; ++i) {
        for (int j = 0; j < LENGTH; ++j) {
            *(output + j * WIDTH + i) = *(input + i * LENGTH + j);
        }
    }
}

// void reverse(int arr[], const int N) { // both these signatures
void reverse(int* arr, const int N) {     // works (I prefer this one)
    for (int i = 0; i < N / 2; ++i) { 
        int temp = *(arr + i);
        *(arr + i) = *(arr + N - 1 - i);
        *(arr + N - 1 - i) = temp;
    }
}

int main() {
    int arr[4] = {2,4,6,8};
    printArray(arr, 4);
    reverse(arr, 4); // this works
    // reverse(*arr, 4); // this doesn't work
    printArray(arr, 4);
     
    int in_matrix[WIDTH][LENGTH];
    in_matrix[0][0] = 1;
    in_matrix[0][1] = 2;
    in_matrix[1][0] = 3;
    in_matrix[1][1] = 4;
    in_matrix[2][0] = 5;
    in_matrix[2][1] = 6;

    int out_matrix[LENGTH][WIDTH];
    // transpose(in_matrix, out_matrix); // this doesn't work
    transpose(*in_matrix, *out_matrix); // this works

    cout << "in_matrix is:\n";
    for (int i = 0; i < WIDTH; ++i) {
        printArray(in_matrix[i], LENGTH);
    }

    cout << "out_matrix is:\n";
    for (int i = 0; i < LENGTH; ++i) {
        printArray(out_matrix[i], WIDTH);
    }
    return 0;
}

答案摘要

LESSON: DO NOT USE pointer-arithmetic for 2D-arrays

              decay
KEY IDEA: arr -----> &arr[0]        type int*
This is also the reason the two function signatures are equivalent.

        // transpose(int* const input, int* const output) // alt.
Signature: transpose(const int input[], int output[])
i.e. it expects an array of ints (or equiv., a pointer to an int)

             (id)
IDENTITY: a[i] = *(a + i)           ALWAYS TRUE

Reason transpose(in_matrix, out_matrix) doesn't work:
           decay
out_matrix -----> &out_matrix[0]    type int(*)[WIDTH]

Reason transpose(*in_matrix, *out_matrix) works:
           (id)             decay
*out_matrix = out_matrix[0] -----> &(out_matrix[0])[0]

Answer 1

在 C 中，数组和指针有点复杂。一个数组可以被认为是一个带有一些“大小”信息的指针（它不存储在任何地方，但编译器知道）。因此，sizeof 在数组上使用时会给出整个数组内容的大小，而在指针上使用时会给出指针的大小。

当您将数组传递给函数时，大小信息会丢失 - 实际上，数组会衰减为指针。对于大多数实际目的，指向类型的指针可以完全像该类型的一维数组一样使用。数组下标符号 ([]) 也可用于使用指针访问连续元素。

但是，对于二维数组，这会变得更加复杂。二维数组和双指针可以使用a[i][j] 形式的相同访问语法，但它们不可互换。二维数组衰减为指向数组的指针，而双指针是指向指针的指针。

回到您的问题，编写函数签名的两种方式本质上是等效的，因为一维数组在传递给函数时会衰减为指针。所以void reverse(int* arr, const int N) 和void reverse(int arr[], const int N) 是一样的。

然而，在您的转置函数中，您传递的是一个二维数组。它会衰减为指向数组的指针。但是在您的函数声明中，您将这些参数作为数组（或实际上是指针）接受。由于 C 的怪癖，这仍然可以正常工作。2D 数组也可以被视为一个大的 1D 数组，其中行一个接一个地连续布置。然而，这不是最好的方法。这也反映了当您将数组名称传递给转置函数时必须取消引用它们，因为它需要一维数组（或指针）而不是二维数组（或指向数组的指针）。

此外，C/C++ 提供了一种比使用笨拙的指针算法更优雅的方式来访问数组。因此，我会推荐以下方法。它应该与您最初发布的代码完全一样，但会更干净、更易读。

#include <iostream>
using namespace std;

const int LENGTH = 2;
const int WIDTH = 3;

void printArray(const int arr[], const int N) {
    cout << arr[0]; 
    for (int i = 1; i < N; ++i) {
        cout << ", " << arr[i];
    }
    cout << "\n";
}

void transpose(const int input[][LENGTH], int output[][WIDTH]) {
    for (int i = 0; i < WIDTH; ++i) {
        for (int j = 0; j < LENGTH; ++j) {
            output[j][i] = input[i][j];
        }
    }
}

void reverse(int* arr, const int N) {
    for (int i = 0; i < N / 2; ++i) { 
        int temp = arr[i];
        arr[i] = arr[N - 1 - i];
        arr[N - 1 - i] = temp;
    }
}

int main() {
    int arr[4] = {2,4,6,8};
    printArray(arr, 4);
    reverse(arr, 4);
    printArray(arr, 4);
     
    int in_matrix[WIDTH][LENGTH];
    in_matrix[0][0] = 1;
    in_matrix[0][1] = 2;
    in_matrix[1][0] = 3;
    in_matrix[1][1] = 4;
    in_matrix[2][0] = 5;
    in_matrix[2][1] = 6;

    int out_matrix[LENGTH][WIDTH];
   
    transpose(in_matrix, out_matrix);

    cout << "in_matrix is:\n";
    for (int i = 0; i < WIDTH; ++i) {
        printArray(in_matrix[i], LENGTH);
    }

    cout << "out_matrix is:\n";
    for (int i = 0; i < LENGTH; ++i) {
        printArray(out_matrix[i], WIDTH);
    }
    return 0;
}