C中的二维数组是否需要使所有元素连续？

Question

从朋友那里听说，C 中的二维数组仅在语法上受支持。

他告诉我最好使用float arr[M * N] 而不是float[M][N]，因为像 gcc 这样的 C 编译器不能保证在每个系统/平台上，数据都在内存中串联。

我想在我的硕士论文中使用它作为论据，但我没有任何参考。

所以第一个问题：

他说的对吗？

第二个问题：

你知道在哪里可以找到这句话的书或文章吗？

谢谢+问候

Answer 1

1. 不，他错了。

2. 查看 C 标准。一些相关位（我的粗体强调）：

   6.2.5 类型¶20

   array 类型描述了具有特定成员对象类型的连续分配非空对象集，称为元素类型。

   6.7.6.2 数组声明器¶3（注释 142）

   当多个“数组”规范相邻时，声明一个多维数组。

   6.5.2.1 数组下标¶3

   连续的下标运算符指定多维数组对象的一个​​元素。 ...由此可知数组以行优先顺序存储（最后一个下标变化最快)。

   也许最明确的是，6.5.2.1 数组下标¶4中的示例：

   示例考虑由声明定义的数组对象

   int x[3][5];

   这里x是ints的3×5数组；更准确地说，x 是一个由三个元素对象组成的数组，每个对象是一个由五个ints 组成的数组。在表达式x[i]（相当于(*((x)+(i)))）中，x 首先被转换为指向五个ints 的初始数组的指针。然后根据x的类型调整i，这在概念上需要将i乘以指针指向的对象的大小，即五个int对象的数组 .结果被添加并应用间接以产生一个由五个ints 组成的数组。当在表达式x[i][j] 中使用时，该数组又被转换为指向第一个整数的指针，因此x[i][j] 产生一个整数。

C 中的多维数组只是“数组的数组”。它们工作正常，并且 100% 由标准定义。

阅读 comp.lang.c 常见问题解答中的 Section 6, Arrays and Pointers 也会对您有所帮助。

Answer 2

这个问题比其他答案听起来更微妙：

虽然多维数组（在语义上，可能不是物理上）是连续的，但只有在指针最初引用的数组边界内（实际上，您可以超过上限 1 个元素，但仅当您不取消引用时）。

这意味着语言语义禁止从头到尾遍历多维数组，而 C 语言的边界检查实现（原则上是可能的，但出于性能原因很少在野外看到）可能会引发segfault、打印诊断信息或在您越过子阵列的边界时让恶魔从您的鼻子上飞走。

我不确定编译器是否将这些信息用于优化目的，但原则上可以。例如，如果您有

float *p = &arr[2][3];
float *q = &arr[5][9];

那么p + x 和q + y 不应该使用别名，无论x 和y 的值如何。

Answer 3

第 6.2.5.20 节要求数组是连续分配的。这同样适用于数组数组和一维数组。

你的朋友完全错了。

Answer 4

C 中内置的多维数组是通过索引转换实现的。这意味着，例如，3D 数组 T a[M][N][K] 被实现为 1D 数组 T a_impl[M * N * K]，而多维访问 a[i][j][k] 被隐式转换为单维访问 a_impl[((i * N) + j) * K + k]。语言规范没有明确描述此实现，但需求几乎直接要求它。

考虑到这一点，不清楚为什么您的朋友会告诉您显式使用float arr[M * N]，而不是依赖编译器对同一事物的隐式实现。

当M 和N 都是运行时值并且你的编译器不支持可变长度数组（或者你出于某种原因不想使用它们）。在这种情况下，对多维数组的内置支持不再适用，因为它依赖于所有大小（第一个除外）都是编译时常量。也许这就是你朋友的想法。