C语言：多重指针和多重数组

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笔者在学习C语言后，对C语言还没有深入理解，紧接着就学习了C++。这导致对C语言的理解，长期存在偏差，比如C和C++都有&运算符，C++中&除了取变量地址，还表示引用，导致我一直以为C中也有引用。

今天将另一个关于指针的问题，很长时间以来，笔者都认为数组和指针在很多地方是等价的，比如int *a和int a[]；int **a和int a[][]。

那么这个理解有错么？错在哪里呢？

一维数组和指针

我们直接看下面代码：

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

for(int i = 0;i < 9;i++) {
  printf("%d ", a[i]);
}
printf("\n");

for(int i = 0;i < 9;i++) {
  printf("%d ", b[i]);
}
printf("\n");

for(int i = 0;i < 9;i++) {
  printf("%d ", c[i]);
}
printf("\n");

由于“数组的名字等价于数组首元素的地址”，所以上面代码中a、b、c都是指向数组a[10]的首元素（a[0]）的地址，三者在用法上完全相同：

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从中可以看出`b + i == &b[i]`。

## 多维数组和多重指针

一维数组的这个特点让我误以为，下面代码中a和b在用法上也是等价的。

```c
int a[2][3] = {{1, 2, 3}, {4, 5, 6}};
int **b = a;

但其实a和b的类型都不相同，a是int指针，而b是int指针的指针。
如果第2行改成int *b = a;，两者类型上就相同了，那么这种情况下可以认为a、b等价了吗？还是不行：a[i][j] != b[i][j]

原因如下：

  • 对a来说： 二维数组本质上也是一维数组，只不过这个“一维数组”的每个元素，是一个一维数组。a[i]表示二维数组的第i个元素（一维数组），a[i][j]表示a[i]这个一维数组的第j个元素。

  • 对b来说：b本质是int指针。 &b[i] = b + i，其中b + i表示指向b后第i个元素的地址，元素就是指针指向的类型，对b来说是int。b[i]表示b后第i个int的值，等价于a[0][i]。

所以有下列等式成立:

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b[i] == a[0][i];
a[i][j] == b[i * 2 + j];
a[i][j] == *(b + i * 2 + j);

ps:
下列声明方式，可以使a[i][j] == b[i][j]，大家可以试着说明一下原理

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int (*b)[3] = a; // pointer to array[13] of int

再回到int **b = a的情况，这种情况下b[i][j]又代表什么意思呢？

b[i][j] = *(*(b + i) + j)，由于b的类型是int指针的指针，所以b + i表示b后第i个int指针的地址，*(b + i)表示b后第i个指针。

进一步，*(b + i) + j就表示该指针（b后第i个指针)后第j个int的地址，*(&(b + i) + j)就表示该int地址对应的int值。

也就是说b[i][[j]对应的也是一个int。

但这不意味着a[i][j] == b[i][j]，因为两者在解析式，地址的计算不同，参见本文后面关于“多重指针作为函数参数”的例子。

多维数组作为函数参数

多维数组作为函数参数时，下面3种声明方式都可以

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f(int a[2][3]) { ... }

f(int a[][3]) { ... }

f(int (*a)[3]) { ... }

上面3中声明方式，在函数内都可以使用a[i][j]的方式访问数组元素。

ps：
f(int *a[13]) { ... }这种声明方式，无法使用a[i][j]的方式访问数组元素

那么f(int *a) { ... }这种声明方式正确吗？理论上是正确的，只不过不能使用a[i][j]的方式访问元素，而应该使用*(a + 3 * i + j)的方式访问元素。

多重指针作为函数参数：

用数组做函数参数的方式，数组列数是固定的，如果想要实现动态分配内存，需要使用多重数组作为函数参数:

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f(int **a) { ... }


void foo(int** array, int row_len, int col_len) {

 for(int i = 0;i < row_len;i++) {

  for(int j = 0;j < col_len;j++) {

   printf("%d ", array[i][j]);

  }

  printf("\n");

 }

}



int **make2DArray(int m, int n) {

 int **arr = (int **)malloc(m * sizeof(int *));

 for (int r = 0; r < m; r++) {

  arr[r] = (int *)malloc(n * sizeof(int));

 }

 for(int i = 0;i < m;i++) {

  for(int j = 0;j < n;j++) {

   arr[i][j] = i * 2 + j;

  }

 }

 return arr;

}



int main() {

 int **arr1 = make2DArray(5,2);

 int arr2[5][2] = {{1, 2}, {3, 4}, {5, 6}, {7, 8}, {9, 10}};



 foo(arr1, 5, 2);

 printf("\n");

 foo(arr2, 5, 2);

}

上面代码中，arr1可以正常打印，arr2却会报错。