替代c中的多维数组

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;

我需要像这样遍历数据：

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);

我试图想出一种更优雅、更少脑死的方法。 （我知道这种多维数组在 cpu 使用方面效率低下，但这在这种情况下无关紧要。）我在这里构造事物的方式有更好的方法吗？

Answer 1

如果您需要一个 4D 数组，那么这就是您所需要的。可以将其“展平”为一维 malloc()ed 'array'，但这并不那么干净：

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)

所以这显然有点痛苦。

但你确实有这样的优势，如果你需要简单地迭代每个元素，你可以这样做：

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

显然，这种方法对于大多数用途来说非常难看，对于一种访问方式来说更简洁一些。它也更节省内存，只需要一个指针解引用而不是 4 个。

Answer 2

注意：本文中使用的示例仅用于解释概念。因此示例可能不完整，可能缺少错误处理等。

在C中使用多维数组时，有以下两种可能的方式。

数组扁平化

在C 中，数组被实现为一个连续的内存块。此信息可用于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. 

利用数组连续性的技术被称为flattening of arrays。

参差不齐的数组

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

这种类型的实现称为不规则数组，在使用可变大小字符串的地方很有用。流行的方法是在每个维度上都有dynamic-memory-allocation。

注意：命令行参数 (char *argv[]) 仅作为不规则数组传递。

比较扁平和不规则数组

现在，让我们考虑以下代码 sn-p，它比较 flattened 和 ragged 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 

从上面的例子中，ragged 数组需要631-pointers，换句话说，631 * sizeof(int *) 需要额外的内存位置来指向6000 整数。而flattened 数组只需要一个基指针：即数组的名称足以指向连续的6000 内存位置。

但 OTOH，ragged 数组很灵活。在不知道所需内存位置的确切数量的情况下，您不能奢侈地为最坏的情况分配内存。同样，在某些情况下，所需的内存空间的确切数量仅在运行时才知道。在这种情况下，ragged 数组就派上用场了。

数组的行优先和列优先

C 遵循row-major 对多维数组的排序。 Flattening 的数组可以看作是由于C 中的这一方面的影响。 C 的row-major 顺序的意义在于它适合在编程中进行大多数访问的自然方式。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");
}

矩阵中的每一行都是通过快速改变列来逐一访问的。 C 数组以这种自然的方式排列在内存中。相反，请考虑以下示例，

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

这会比行索引更频繁地更改列索引。正因为如此，这两个代码sn-p在效率上存在很大差异。是的，第一个比第二个效率更高！

因为第一个以 C 的自然顺序（row-major 顺序）访问数组，因此它更快，而第二个需要更多时间来跳转。随着维度数量和元素大小的增加，性能差异会越来越大。

所以在C 中处理多维数组时，最好考虑以上细节！