动态数组(一维二维)探秘

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因为做leetcode的一道算法题https://leetcode-cn.com/problems/regular-expression-matching/,需要用到二维数组,结果自己在理解和使用上有很大误解,所以单独拿出来,从内存等各方面透彻的梳理一遍。

一维数组

    char * a = (char*)malloc(8 * sizeof(char));
    memset(a, 0, 8);
    for (int i = 0; i < 8; i++)
    {
        *(a + i) = 'a' + i;
    }
    for (int i = 0; i < 8; i++)
    {
        cout << *(a+i);
    }
    for (int i = 0; i < 8; i++)
    {
        cout << a[i];
    }
    free(a);

输出内容abcdefghabcdefgh

这样申请与char a[8]是一样的,不管是底层实现还是使用,都是一样的,这就是一个8个字节长度的数组。我们看内存,也是一段连续的数据。

动态数组(一维二维)探秘

释放内存的时候,系统可以根据内存管理把这连续的8个字节的空间回收。

二维数组

我们先看一下正常的用法

    char a[8][4] = { 0 };
    for (int i = 0; i < 8; i++)
    {
        for (int j = 0; j < 4; j++)
        {
            a[i][j] = 'a' + i;
        }
    }
    for (int i = 0; i < 8; i++)
    {
        for (int j = 0; j < 4; j++)
        {
            cout << a[i][j];
        }
    }

输出结果 aaaabbbbccccddddeeeeffffgggghhhh

我们看一下内存

动态数组(一维二维)探秘

是一段连续的内存,数组a[n][m],按照m跳度,前m个是第一个n的序列,然后是第二个n的m个序列,实际上这是一个一维数组。

看看我们第一种实现

        char** a = (char**)malloc(8 * sizeof(char*));
        for (int i = 0; i < 8; i++)
        {
            *(a + i) = (char*)malloc(4 * sizeof(char));
        }
        for (int i = 0; i < 8; i++)
        {
            for (int j = 0; j < 4; j++)
            {
                a[i][j] = 'a' + i;
            }
        }
        for (int i = 0; i < 8; i++)
        {
            for (int j = 0; j < 4; j++)
            {
                cout << a[i][j];
            }
        }

a是一个数组,也就是a指向了申请的一块空间,空间是8个char*大小。然后为a的每一个数组元素,又指向了一块空间,空间是4个char大小。内存空间如图所示,a指向了一块空间,有8个元素,每个元素的空间用来保存了一个char*的数据,也就是char的指针,a算是一个指向指针的指针。a是一个指针,指向了一块数据,这块数据保存的是一个指针,指向了一块数据,这块数据保存的是一个4字节的char。

动态数组(一维二维)探秘

 

 我们看一下实际的内存地址

动态数组(一维二维)探秘

 

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这是char*数组a的数据,8个char*的空间,标蓝的是第一个a+0保存的数据,是一个指针地址,因为是32位的,所以是4个字节,翻译过来就是0X00557600

我们看一下a的第一块数据指向的内容,是一块数据,保存了aaaa,四个a。

动态数组(一维二维)探秘

 

这就是二维数组的实质。一维数组a指向了一块数据,保存的是字符,二维数组指向了一块数据,保存的相当于是一个一维数组指针的列表,每个二维数组元素相当于一个一维数组。以此类推,三维数组就是保存了一个二维数组指针的列表。

它是如何访问数据的呢,与一维数组一样,先通过a+i访问到a的元素指针,然后通过*(a+i)访问到数据,这个数据又是个数组,通过*(a+i)+j访问到元素指针,再通过*(*(a+i)+j)访问到数据,最后提醒,别忘了释放空间。

        for (int i = 0; i < 8; i++)
        {
            for (int j = 0; j < 4; j++)
            {
                cout << *(*(a + i) + j);
            }
        }
        for (int i = 0; i < 8; i++)
        {
            free(*(a + i));
        }
        free(a);

二维数组的第二种实现

我们看到,如果通过char a[8][4]申请一个二维数组,实际上空间是连续的,我们能不能模拟呢,这样整块申请内存,效率更高。代码如下

        char* a = (char*)malloc(8 * 4 * sizeof(char));

        for (int i = 0; i < 8; i++)
        {
            for (int j = 0; j < 4; j++)
            {
                *(a + i * 4 + j) = 'a' + i;
            }
        }
        for (int i = 0; i < 8; i++)
        {
            for (int j = 0; j < 4; j++)
            {
                cout << *(a + i * 4 + j);
            }
        }
        free(a);

申请了一个一维数组,大小是a[n][m]中n*m个数组元素个数。访问呢,就模仿二维数组的访问,m个元素是一组。内存如下

动态数组(一维二维)探秘

这里有一个小小的一问,char a[8][4]这种可以通过 a[1][2]访问,但是这种方式不行。char[8][4]系统知道是一个二维数组,保留了它的信息,知道如何跳,而char* a = (char*)malloc(8 * 4 * sizeof(char));系统认为是一维数组,按照二维的那种方式跳,就会运行错误。

插曲

除了malloc,也可以用new,更方便一些

char * a = new char[8]();

减少了初始化的步骤,这里就是创建一块空间,大小是8,单位是char,调用()初始化。这里()的意思就是调用默认构造函数等于new char[8]{}

二维数组的第三种方法

上面的方法空间在一起了,但是无法用二维数组的方式访问 ,很别扭,那么有没有动态二维数组呢,上面插曲的new为我们提供了方法。

        auto a = new char[8][4]();
        for (int i = 0; i < 8; i++)
        {
            for (int j = 0; j < 4; j++)
            {
                a[i][j] = 'a' + i;
            }
        }
        for (int i = 0; i < 8; i++)
        {
            for (int j = 0; j < 4; j++)
            {
                cout << a[i][j];
            }
        }
        delete[](a);

auto a = new char[8][4]()到底是什么

这种方法的实质是什么呢?实际上就是第二种方法,只不过告诉了系统,这是一个二维数组。那么二维数组的指针怎么定义呢?可以用如下代替

        char(* a)[4] = (char(*)[4])malloc(8 * 4 * sizeof(char));

        for (int i = 0; i < 8; i++)
        {
            for (int j = 0; j < 4; j++)
            {
                a[i][j] = 'a' + i;
            }
        }
        for (int i = 0; i < 8; i++)
        {
            for (int j = 0; j < 4; j++)
            {
                cout << a[i][j];
            }
        }
        free(a);

 

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