C语言中指针的理解5：二重指针与二维数组

1.二重指针

1.1 二重指针与普通一重指针的区别

本质上来说，二重指针和一重指针的本质都是指针变量，占用相同的内存空间，而指针变量的本质就是变量。

二重指针本质上也是指针变量，和普通指针的差别就是它指向的变量类型必须是个一重指针。二重指针其实也是一种数据类型，编译器在编译时会根据二重指针的数据类型来做静态类型检查，一旦发现运算时数据类型不匹配编译器就会报错。

C语言其实是可以没有二重指针的。一重指针完全可以做二重指针做的事情，之所以要发明二重指针（函数指针、数组指针），之所以要区分这些指针，就是为了让编译器了解这个指针被定义时，定义它的程序员希望这个指针被用来指向什么东西，定义指针时用数据类型来标记，比如int *p就表示p要指向int型数据。编译器知道指针类型之后可以帮我们做静态类型检查，这种静态类型检查可以辅助程序员发现一些隐含性的编程错误，这是C语言给程序员提供的一种编译时的查错机制。

1.2 二重指针的用法

二重指针必须指向一重指针的地址，例如：

int main(int argc,char**argv)
{
    
    
	int a =5;
	int*p1 = &a;	//p1是一重指针，它指向a，保存的是int变量a的地址
	int** p2 = &p1;	//p2是二重指针，它指向p1，保存的是指针变量p1的地址

	return 0;
}

二重指针也可以指向指针数组的地址：

int main(int argc,char**argv)
{
    
    
	int*p1[5] = {
    
    };	//p1是指针数组，即内部元素都是指针的数组
	int** p2 = p1;	//p1作右值的时候是二重指针

	return 0;
}

对于指针数组p1，做右值的时候它是数组首元素的地址，也就是说它指向数组首元素，而这是一个指针数组，数组首元素就是一个一重指针，所以p1是一个指向一重指针的指针，也就是二重指针，所以可以直接做右值赋值给p2。

实际应用中二重指针用的比较少，大部分时候就是和指针数组纠结起来用的。有时在函数传参时为了通过函数内部改变外部的一个指针变量，会传这个指针变量的地址，也就是二重指针进去。

1.3 一些概念的实质

二重指针、数组指针、结构体指针、一重指针、普通变量，这些的本质都是相同的，它们都是变量，和一段内存空间绑定，空间内会存入数据。

所有的指针变量本质也都是相同的，64位机器中都是8个字节，用来指向别的变量，不同类型的指针变量只是可以指向的，或者说编译器允许指向的变量类型不同。

二重指针大部分情况下就是用来指向指针数组的。

2.二维数组

2.1 二维数组的内存映像

一维数组在内存中是连续分布的多个内存单元组成的，而二维数组在内存中实际上也是由连续分布的多个内存单元组成的。从内存角度来看，一维数组和二维数组没有本质差别。二维数组int a[2][3]和一维数组int b[6]在内存中的存储方式其实没有任何本质差别。

举个栗子:

#include<stdio.h>

int main(int argc,char**argv)
{
    
    
	int b[6]={
    
    0};
	int a[2][3];
	for(int i=0;i<6;++i)
		printf("%p ",&b[i]);
	printf("\n");
	
	for(int i=0;i<2;++i)
		for(int j=0;j<3;++j)
			printf("%p ",&a[i][j]);
	
	printf("\n");
	return 0;
}

输出：

0x7ffe4a7f1ad0 0x7ffe4a7f1ad4 0x7ffe4a7f1ad8 0x7ffe4a7f1adc 0x7ffe4a7f1ae0 0x7ffe4a7f1ae4 
0x7ffe4a7f1af0 0x7ffe4a7f1af4 0x7ffe4a7f1af8 0x7ffe4a7f1afc 0x7ffe4a7f1b00 0x7ffe4a7f1b04

既然二维数组都可以用一维数组来表示，那二维数组存在的意义和价值在哪里？二维数组a和一维数组b在内存访问效率上是完全一样的，或者说差异是忽略不计的。在某种情况下用二维数组而不用一维数组，原因在于二维数组好理解，代码好写而且利于组织。

总结：使用C语言提供二维数组并不是必须，而是一种简化编程的方式。一维数组的出现其实也不是必然的，也是为了简化编程。

2.2 二维数组下标理解和访问

二维数组int a[2][3]中，2是第一维，3是第二维。结合内存映像来理解二维数组的第一维和第二维的意义：首先第一维是最外面一层的数组，所以int a[2][3]这个数组有2个元素，其中每一个元素又是一个含有3个元素的一维数组，这个数组就是第二维。

总结：

二维数组的第一维是最外部的那一层，第一维本身是个数组，并且这个数组中存储的元素也是个一维数组。
二维数组的第二维是里面的那一层，第二维本身是个一维数组，数组中存的元素是普通元素，第二维这个一维数组本身作为元素存储在第一维的二维数组中。

一维数组有数组下标和指针偏移运算两种访问方式，以int b[6]为例：

int *p = b;。
b[0]=5；//b[0]等同于 *(p+0);   
b[9]=6; //b[9]等同于 *(p+9);  b[i] 等同于 *(p+i)

二维数组同样有两种访问方式，以int a[2][3]为例：

int (*p)[3];
p= a;
a[0][0]=3; //a[0][0]等同于*(*(p+0)+0); 	
a[1][4]=3; //a[1][4]等同于*(*(p+1)+4); a[i][j]等同于 *(*(p+i)+j)

2.3 二维数组的应用和更多维数组

最常用情况：一维数组用来表示一个线性表，二维数组用来表示一张单通道灰度图像，三维数组可以表示三通道的RGB图像等。四维数组也是可以存在的，在数学上有意义，现实空间中没有对应，因为人类生存的宇宙是三维的。

总结：一般常用最多就到三维数组，四维数组除了做一些特殊与数学运算有关的之外基本用不到。

2.4二维数组的运算和指针

指针指向二维数组的数组名
(1)二维数组的数组名表示二维数组的第一维数组中首元素（也就是第二维的数组）的首地址
int (*p)[3];
(2)二维数组的数组名a等同于&a[0]，这个和一维数组的符号含义是相符的。
(3)用数组指针来指向二维数组的数组名是类型匹配的。

指针指向二维数组的第一维
(1)用int *p来指向二维数组的第一维a[i]

指针指向二维数组的第二维
(1)二维数组的第二维元素其实就是普通变量了（a[1][1]其实就是int类型的7），已经不能用指针类型和它相互赋值了。
(2)除非int *p = &a[i][j];，类似于指针指向二维数组的第一维。

总结：理解二维数组和指针的关键就是2点：
1、数组中各个符号的含义。
2、数组的指针式访问，尤其是二维数组的指针式访问。