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C语言二维数组指针(指向二维数组的指针)详解

二维数组在概念上是二维的,有行和列,但在内存中所有的数组元素都是连续排列的,它们之间没有“缝隙”。以下面的二维数组 a 为例:

int a[3][4] = { {0, 1, 2, 3}, {4, 5, 6, 7}, {8, 9, 10, 11} };

从概念上理解,a 的分布像一个矩阵:
0   1   2   3
4   5   6   7
8   9  10  11
但在内存中,a 的分布是一维线性的,整个数组占用一块连续的内存:
二维数组在内存中的存储

C语言中的二维数组是按行排列的,也就是先存放 a[0] 行,再存放 a[1] 行,最后存放 a[2] 行;每行中的 4 个元素也是依次存放。数组 a 为 int 类型,每个元素占用 4 个字节,整个数组共占用 4×(3×4) = 48 个字节。

C语言允许把一个二维数组分解成多个一维数组来处理。对于数组 a,它可以分解成三个一维数组,即 a[0]、a[1]、a[2]。每一个一维数组又包含了 4 个元素,例如 a[0] 包含 a[0][0]、a[0][1]、a[0][2]、a[0][3]。

假设数组 a 中第 0 个元素的地址为 1000,那么每个一维数组的首地址如下图所示:
把二维数组拆解成一维数组

为了更好的理解指针和二维数组的关系,我们先来定义一个指向 a 的指针变量 p:

int (*p)[4] = a;

括号中的*表明 p 是一个指针,它指向一个数组,数组的类型为int [4],这正是 a 所包含的每个一维数组的类型。

[ ]的优先级高于*( )是必须要加的,如果赤裸裸地写作int *p[4],那么应该理解为int *(p[4]),p 就成了一个指针数组,而不是二维数组指针,这在《C语言指针数组》中已经讲到。

对指针进行加法(减法)运算时,它前进(后退)的步长与它指向的数据类型有关,p 指向的数据类型是int [4],那么p+1就前进 4×4 = 16 个字节,p-1就后退 16 个字节,这正好是数组 a 所包含的每个一维数组的长度。也就是说,p+1会使得指针指向二维数组的下一行,p-1会使得指针指向数组的上一行。

数组名 a 在表达式中也会被转换为和 p 等价的指针!

下面我们就来探索一下如何使用指针 p 来访问二维数组中的每个元素。按照上面的定义:
1) p指向数组 a 的开头,也即第 0 行;p+1前进一行,指向第 1 行。

2) *(p+1)表示取地址上的数据,也就是整个第 1 行数据。注意是一行数据,是多个数据,不是第 1 行中的第 0 个元素,下面的运行结果有力地证明了这一点:
#include <stdio.h>
int main(){
    int a[3][4] = { {0, 1, 2, 3}, {4, 5, 6, 7}, {8, 9, 10, 11} };
    int (*p)[4] = a;
    printf("%d\n", sizeof(*(p+1)));

    return 0;
}
运行结果:
16

3) *(p+1)+1表示第 1 行第 1 个元素的地址。如何理解呢?

*(p+1)单独使用时表示的是第 1 行数据,放在表达式中会被转换为第 1 行数据的首地址,也就是第 1 行第 0 个元素的地址,因为使用整行数据没有实际的含义,编译器遇到这种情况都会转换为指向该行第 0 个元素的指针;就像一维数组的名字,在定义时或者和 sizeof、& 一起使用时才表示整个数组,出现在表达式中就会被转换为指向数组第 0 个元素的指针。

4) *(*(p+1)+1)表示第 1 行第 1 个元素的值。很明显,增加一个 * 表示取地址上的数据。

根据上面的结论,可以很容易推出以下的等价关系:

a+i == p+i
a[i] == p[i] == *(a+i) == *(p+i)
a[i][j] == p[i][j] == *(a[i]+j) == *(p[i]+j) == *(*(a+i)+j) == *(*(p+i)+j)

【实例】使用指针遍历二维数组。
#include <stdio.h>
int main(){
    int a[3][4]={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11};
    int(*p)[4];
    int i,j;
    p=a;
    for(i=0; i<3; i++){
        for(j=0; j<4; j++) printf("%2d  ",*(*(p+i)+j));
        printf("\n");
    }

    return 0;
}
运行结果:
 0   1   2   3
 4   5   6   7
 8   9  10  11

指针数组和二维数组指针的区别

指针数组和二维数组指针在定义时非常相似,只是括号的位置不同:
int *(p1[5]);  //指针数组,可以去掉括号直接写作 int *p1[5];
int (*p2)[5];  //二维数组指针,不能去掉括号
指针数组和二维数组指针有着本质上的区别:指针数组是一个数组,只是每个元素保存的都是指针,以上面的 p1 为例,在32位环境下它占用 4×5 = 20 个字节的内存。二维数组指针是一个指针,它指向一个二维数组,以上面的 p2 为例,它占用 4 个字节的内存。

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