Элементом массива может быть в свою очередь тоже массив. Таким образом, мы приходим к понятию двумерного массива или матрицы. Описание двумерного массива строится из описания одномерного путем добавления второй размерности, например:
int a[4][3];
Анализ подобного описания необходимо проводить в направлении выполнения операций [], то есть слева направо. Таким образом, переменная a является массивом из четырех элементов, что следует из первой части описания a[4]. Каждый элемент a[i] этого массива в свою очередь является массивом из трех элементов типа int, что следует из второй части описания.
Для наглядности двумерный массив можно представить в виде таблицы с числом строк, равным первому размеру массива, и числом столбцов, равным второму размеру массива, например:
Массив а
Столбец 0
Столбец 1
Столбец 2
Строка 0
Строка 1
Строка 2
Строка 3
Имя двумерного массива без квадратных скобок за ним имеет значение адреса первого элемента этого массива, то есть значение адреса первой строки - одномерного массива из трех элементов. При использовании в выражениях тип имени двумерного массива преобразуется к типу адреса строки этого массива. В нашем примере тип имени массива a в выражениях будет приведен к типу адреса массива из трех элементов типа int и может использоваться во всех выражениях, где допускается использование соответствующего адреса.
Имя двумерного массива с одним индексным выражением в квадратных скобках за ним обозначает соответствующую строку двумерного массива и имеет значение адреса первого элемента этой строки. Например, в нашем случае a[2] является адресом величины типа int, а именно ячейки, в которой находится число 30, и может использоваться везде, где допускается использование адреса величины типа int.
Имя двумерного массива с двумя индексными выражениями в квадратных скобках за ним обозначает соответствующий элемент двумерного массива и имеет тот же тип. Например, в нашем примере a[2][1] является величиной типа int, а именно ячейкой, в которой находится число 52, и может использоваться везде, где допускается использование величины типа int.
В соответствии с интерпретацией описания двумерного массива (слева-направо) элементы последнего располагаются в памяти ЭВМ по строкам.
Инициализация двумерного массива также проводится по строкам, например, для того чтобы получить вышеописанный массив a, можно было бы провести следующую инициализацию
int a[][3] = {
{ 18, 21, 5 },
{ 6, 7, 11 },
{ 30, 52, 34 },
{ 24, 4, 67 }
};
Здесь первый размер массива будет определен компилятором. Следует отметить, что второй размер массива должен быть всегда указан. Это необходимо для того, чтобы сообщить компилятору размер строки массива, без которого компилятор не может правильно разместить двумерный массив в памяти ЭВМ.
Для инициализации двумерного массива символов можно использовать упрощенный синтаксис инициализации строк:
char s[][17] = {
"Строка 1",
"Длинная строка 2",
"Строка 3"
}
Размер памяти заказанный под каждую строку в этом случае должен быть равным длине самой длинной строки с учетом нуль-символа. При этом, для части строк (строка 1 и строка 3) будет выделено излишнее количество памяти. Таким образом, хранение строк различной длины в двумерном массиве символов недостаточно эффективно с точки зрения использования памяти.
Ввод двумерного массива осуществляется поэлементно с помощью двух вложенных циклов. Следующий фрагмент программы предназначен для ввода по строкам двумерного массива элементов типа double размером n строк на m столбцов
for (i=0; i<n; i++)
for (j=0; j<m; j++)
{
printf("a[%d][%d] = ", i, j);
scanf ("%lf", &a[i][j]);
}
Для ввода массива по столбцам достаточно поменять местами строки программы, являющиеся заголовками циклов.
Вывод такого же двумерного массива иллюстрирует следующий фрагмент:
for (i=0; i<n; i++)
{
for (j=0; j<m; j++) printf ("%9.3lf ", a[i][j]);
printf("\n");
}
В данном фрагменте после вывода очередной строки массива осуществляется переход на следующую строку дисплея.
В языке Си допускается использовать не только двумерные, но и трехмерные, четырехмерные и т. д. массивы. Их использование ничем принципиально не отличается от использования двумерных массивов, однако на практике они применяются значительно реже.
Язык Си имеет средства работы непосредственно с областями оперативной памяти ЭВМ, задаваемыми их адресами (указателями). В языке C указатели строго типизированы, т. е. различают указатели (адреса) символьных, целых, вещественных величин, а также типов данных, создаваемых программистом.
Для описания указателя на какой-либо тип данных перед именем переменной ставится *. Например в строке
int *a, *b, c, d;
описываются два адреса и две переменные целого типа. В строке
double *bc;
описан адрес переменной вещественного типа. Никогда не следует писать знак * слитно с типом данных, например как в следующей строке:
int* a, b;
В этой строке создается ложное впечатление о том, что описаны два указателя на тип int, в то время как на самом деле описан один указатель на int, а именно a, и одна переменная типа int.
Описание переменных заставляет компилятор выделять память для хранения этих переменных. Описание указателя выделяет память лишь для хранения адреса. В этом смысле указатель на целое данное и на тип double будут занимать в ЭВМ одинаковое количество байт памяти, зависящее от модели памяти, на которую настроен компилятор. Например, в 16-ти разрядной Small модели длина указателя равна двум байтам, а в 16-ти разрядной Large модели - четырем.
При описании указателей в качестве имени типа данных можно использовать ключевое слово void, например
void *vd;
При таком описании с указателем не связывается никакой тип данных, то есть получаем указатель на данное произвольного типа.
Для указателей одного и того же типа допустимой является операция присваивания, кроме того указателю типа void может быть присвоено значение адреса данного любого типа, но не наоборот, например
int *a, *b;
double *d;
void *v;
...
a = b; /* Правильно */
v = a; /* Правильно */
v = d; /* Правильно */
b = v; /* Неправильно */
d = a; /* Неправильно */
В случае неправильного присваивания указателей компиляторы обычно выдают предупреждающие сообщения, которыми никогда не следует пренебрегать. Например, компилятор фирмы Borland выдает сообщение:
"Suspicious pointer conversion", которое переводится как "Подозрительное преобразование указателей".
Если по какой-либо причине необходимо выполнить операцию присваивания между указателями разного типа, то следует использовать явное преобразование типов, например для указателей из предыдущего примера
b = (int *) v;
d = (double *) a;
При этом ответственность за корректность подобных операций целиком ложится на программиста. Действительно, в предыдущем примере a является указателем на ячейку памяти для хранения величины типа int. Обычно это ячейка размером 2 байта. После присваивания указателей с явным преобразования типов, делается возможным обращение к этой ячейке посредством указателя d, как к ячейке с величиной типа double. Размер этого типа обычно 8 байт, да и внутреннее представление данных в корне отличается от типа int. Никакого преобразования самих данных не делается, ведь речь идет только об указателях. Дальнейшая работа с указателем d скорее всего заденет байты, соседние с байтами на которые указывает a. Результат интерпретации этих байт будет тоже неверным.
Для поддержки адресной арифметики в языке Си имеются две специальные операции - операция взятия адреса & и операция получения значения по заданному адресу * (операция разадресации).
Операция & может применяться к любому объекту программы, адрес которого в принципе может быть определен. Результатом операции является указатель того же типа, что и тип объекта, имеющий значение адреса объекта. Если эту операцию применить к указателю, то результатом будет адрес ячейки памяти, в которой хранится значение указателя. Результат операции & можно использовать в любом выражении, где допускается использование указателя соответствующего типа.
Операция * может применяться только к указателям и только в том случае когда они типизированы. При необходимости применить эту операцию к указателю типа void следует использовать явное преобразование типов. Результатом операции * является значение того объекта, к адресу которого применялась операция *, тип результата совпадает с типом объекта. Результат операции * можно использовать в любом выражении, где допускается использование объекта соответствующего типа.
Рассмотрим работу вышеописанных операций на следующем примере
int *p, a, b;
double d;
void *pd;
p = &a;
*p = 12;
p = &b;
*p = 20;
/* Здесь a содержит число 12, b - число 20 */
pd = &d;
*( (double *) pd ) = a;
/* Здесь d содержит число 12.0 */
Поясним первые четыре присваивания рисунком, в котором прямоугольники изображают ячейки памяти для хранения величин типа int и указателей, внутри которых проставлены значения величин, а над ними записаны их названия и адреса.
Состояние ячеек до первого присваивания
P, адрес 1000
a, адрес 2000
b, адрес 4000
мусор
мусор
мусор
Состояние ячеек после присваивания p = &a
p, адрес 1000
a, адрес 2000
b, адрес 4000
мусор
мусор
Состояние ячеек после присваивания *p = 12
p, адрес 1000
a, адрес 2000
b, адрес 4000
мусор
Состояние ячеек после присваивания p = &b
p, адрес 1000
a, адрес 2000
b, адрес 4000
мусор
Состояние ячеек после присваивания *p = 20
p, адрес 1000
a, адрес 2000
b, адрес 4000
Описание указателя не является требованием на выделение памяти для хранения данных. Память выделяется только для хранения адреса. Поэтому прежде, чем использовать указатель, ему нужно присвоить значение адреса реально существующего объекта. В противном случае результат работы программы непредсказуем. Рассмотрим, например, следующую последовательность строк
double *a, b;
b = *a;
*a = 135.7;
В этой последовательности используется указатель, которому предварительно не присвоено никакого значения. В ячейке a находится произвольное значение, возможно оставшееся от работы предыдущей программы. Первая операция присваивания приведет к тому, что переменная b получит значение из ячейки памяти с непредсказуемым адресом. Вторая - к тому, что по непредсказуемому адресу будут записаны 8 байт, являющиеся двоичным представлением числа 135.7. Если эти байты попадут на область данных программы, то программа скорее всего выдаст неправильный результат. Если они попадут на область кода программы или на системную область MS DOS, то в лучшем случае программа аварийно завершится, а в худшем компьютер полностью зависнет.
Если делается попытка присвоить какое-либо значение по адресу указателя, значение которого равно нулю, то многие компиляторы выдают сообщение
Null pointer assingment
К сожалению, это сообщение выдается уже после того, как программа завершилась, если она смогла завершиться. Для компилятора фирмы Borland легко можно отследить момент некорректного обращения к памяти. Для этого нужно в окно просмотра значений выражений поместить выражение (char *) 4, затем пошагово выполнять программу до тех пор, пока строка-подпись фирмы Borland в окне просмотра не изменится. Если программа имеет большой размер, то более целесообразно выполнять ее от одной точки останова до другой.
Следует также опасаться случая, когда указатель содержит адрес объекта программы, завершившего свое существование. Например, результат работы следующей программы неверен и непредсказуем:
#include <stdio.h>
#include <math.h>
double * Cube(double x)
{
double cube_val;
cube_val = x*x*x;
return &cube_val;
}
void main(void)
{
double *py;
py = Cube(5);
printf("y1 = %lf\n", *py);
sin(0.7);
printf("y1 = %lf\n", *py);
}
Это происходит потому, что функция Cube() возвращает указатель на локальную переменную cube_val, которая существует только в пределах функции Cube(). После возврата из функции память, ранее распределенная под переменную cube_val, освобождается и может быть использована компилятором для других целей несмотря на то, что значение возвращенного указателя по-прежнему содержит ее адрес.
