C语言中的多维数组

2025年7月12日 | 11分钟阅读

在C编程中，多维数组是数组的数组。它允许我们以表格或矩阵格式存储数据，其中每一行和每一列都可以通过索引访问。最常用的是二维数组，但数组可以有更多维度（三维、四维等）。

简单的多维数组示例

我们来看一个简单的例子来说明C语言中的多维数组。

//for 2-Dimensional Array
int two_dim[15][25]
//for 3-dimensional Array
int three_dim[15][20][25];

多维数组的类型

基本上，C编程中有两种不同类型的多维数组。它们是：

在这里，我们将逐一介绍这些C语言中的多维数组。

C语言中的二维（2D）数组

在C编程中，二维数组本质上是数组的数组，用于以行和列的表格或矩阵格式存储数据。每个元素都使用两个索引检索：array[row][column]。它用于在表格、游戏板、网格或矩阵中显示数据。代码`int marks[3][4];`创建了一个包含三行四列的数组。

由于C语言以行主序方式存储二维数组，因此第一行的所有列在内存中紧随其后，然后才是下一行的所有列。这种组织方式使得某些操作更快，这也是二维数组在图形、科学或数值计算程序中如此频繁出现的原因。

C语言中二维数组的语法

如果我们要创建C语言中的多维数组，我们需要指定维度数量和每个维度的大小。声明多维数组的一般语法如下：

此处，

类型：表示将存储在数组中的元素的数据类型。
array_name：表示数组的名称。
size1, size2, ..., sizen：表示数组每个维度的大小。

例如，以下代码声明了一个包含3行4列的二维整数数组：

它创建了一个包含3行4列的数组，总共有12个元素。每个元素都是int类型。

访问多维数组的元素

如果我们要访问多维数组的一个元素，我们需要为每个维度指定索引。例如，为了访问my_array的第二行第三列的元素，我们将使用以下语法：

索引从0开始，因此第一行是my_array[0]，第二行是my_array[1]，依此类推。同样，每行的第一列是my_array[i][0]，依此类推。

初始化多维数组

我们可以在声明多维数组时通过为数组中的每个元素指定值来初始化它。例如，以下代码声明并初始化了一个包含2行3列的二维整数数组：

int my_array[2][3] = {  
  {1, 2, 3},  
  {4, 5, 6}  
};  

它创建了一个包含2行3列的数组，并将元素初始化为指定的值。

遍历多维数组

在C语言中，我们可以使用嵌套循环遍历多维数组的元素。例如，以下代码遍历my_array的元素并打印它们的值：

for (int i = 0; i< 2; i++) {  
  for (int j = 0; j < 3; j++) {  
printf("%d ", my_array[i][j]);  
  }  
printf("\n");  
}  

此代码遍历my_array的每一行和每一列，并打印每个元素，元素之间用空格分隔。`printf("\n")`语句用于在每行之后打印一个换行符。

二维数组的存储

在C编程中，二维数组以行主序存储。这表示第一行完整地存储在内存中，然后是第二行，依此类推。例如，`int arr[2][3] = {{1, 2, 3}, {4, 5, 6}};`中的项目在内存中按以下方式存储：1, 2, 3, 4, 5, 6。

每个组件都存储在一个单一且连续的内存块中。
这种设计提高了行向遍历的效率和缓存友好性。
理解内存布局有助于函数优化和指针算术。

C语言中多维数组的示例用法

我们来看一个在C语言中使用多维数组的实际例子。假设我们要创建一个程序，存储5个学生在4个不同科目中的成绩。我们可以使用一个二维数组来存储这些数据，其中每一行代表一个学生，每一列代表一个科目。

这是一个示例程序，它提示用户输入每个学生和科目的成绩，然后计算每个学生和科目的平均成绩：

示例

#include <stdio.h>  
  
int main() {    //main function
  int grades[5][4];  
  
  // Prompt user to enter grades  
for (int i = 0; i< 5; i++) {  
printf("Enter grades for student %d:\n", i+1);  
for (int j = 0; j < 4; j++) {  
printf("Subject %d: ", j+1);  
scanf("%d", &grades[i][j]);  
}  
}  
  
// Calculate average grade for each student  
printf("\nAverage grade for each student:\n");  
for (int i = 0; i< 5; i++) {  
float sum = 0;  
for (int j = 0; j < 4; j++) {  
sum += grades[i][j];  
}  
float avg = sum / 4;  
printf("Student %d: %.2f\n", i+1, avg);  
}  
  
// Calculate average grade for each subject  
printf("\nAverage grade for each subject:\n");  
for (int j = 0; j < 4; j++) {  
float sum = 0;  
for (int i = 0; i< 5; i++) {  
sum += grades[i][j];  
}  
float avg = sum / 5;  
printf("Subject %d: %.2f\n", j+1, avg);  
}  
  
return 0;  
}  

编译并运行

输出

Enter grades for student 1:
Subject 1: 80
Subject 2: 75
Subject 3: 90
Subject 4: 85
Enter grades for student 2:
Subject 1: 70
Subject 2: 85
Subject 3: 80
Subject 4: 75
Enter grades for student 3:
Subject 1: 90
Subject 2: 80
Subject 3: 85
Subject 4: 95
Enter grades for student 4:
Subject 1: 75
Subject 2: 90
Subject 3: 75
Subject 4: 80
Enter grades for student 5:
Subject 1: 85
Subject 2: 70
Subject 3: 80
Subject 4: 90
Average grade for each student:
Student 1: 82.50
Student 2: 77.50
Student 3: 87.50
Student 4: 80.00
Student 5: 81.25
Average grade for each subject:
Subject 1: 80.00
Subject 2: 80.00
Subject 3: 82.00
Subject 4: 85.00

说明

在这个例子中，我们使用一个二维数组 `grades[5][4]` 来管理和处理五个学生在四个科目中的成绩。首先，它使用嵌套的 for 循环收集用户输入的每个学生和科目的成绩。为了计算每个学生的平均分数，系统将四个科目的分数相加，将总和除以四，然后打印结果。之后，系统计算所有五个学生的所有科目的总分，并将其除以五，以找出所有学生每个科目的平均分。

C语言中的三维（3D）数组

在C编程中，三维数组是二维数组的数组，可以按深度、行和列存储数据。它们的声明方式为`int cube[2][3][4];`，表示有两层（深度），每层包含一个3x4的矩阵。`cube[depth][row][column]`索引都可以访问。多层数据表示、模拟和图像处理（彩色图像）都可以从三维数组中受益。

三维数组以行主序存储数据，并逐渐存储内部数组。尽管它们处理起来更复杂，但三维数组比二维数组更具通用性，可用于表示现实世界中复杂的结构化数据。

三维数组的声明

在C编程中，我们可以声明一个具有两层，每层三行四列的三维数组。元素的总数为2*3*4 = 24。它为所有元素保留内存。

示例

三维数组的初始化

为了提高清晰度，数组在声明时使用嵌套括号进行初始化。每个内部括号定义一行，行一起构成一层。

示例

int arr[2][2][3] = {
    {
        {1, 2, 3},
        {4, 5, 6}
    },
    {
        {7, 8, 9},
        {10, 11, 12}
    }
};

访问三维数组中的元素

元素通过三个索引检索：[深度]、[行]和[列]。它可以访问第一层、第零行和第二列。

示例

三维数组的存储

在C编程中，我们可以使用任何位置的三个索引来赋值。它改变了该精确内存位置的值。

示例

将三维数组传递给函数

在C编程中，为了将三维数组传递给函数，除了第一个维度之外，所有维度都必须提供。C语言需要知道最后两个维度的大小以便进行内存布局。

示例

void display(int arr[2][2][3]) {
    // Access elements inside
}
display(arr);

三维数组示例

我们来看一个例子来说明C语言中的三维数组。

示例

#include <stdio.h>

// Function to display elements of a 3D array
void displayArray(int arr[2][2][3]) {
    printf("Elements of the 3D array:\n");
    for (int i = 0; i < 2; i++) {           // Depth
        for (int j = 0; j < 2; j++) {       // Rows
            for (int k = 0; k < 3; k++) {   // Columns
                printf("arr[%d][%d][%d] = %d\n", i, j, k, arr[i][j][k]);
            }
        }
    }
}

int main() {   //main function
    // Declaration and Initialization
    int arr[2][2][3] = {
        {
            {1, 2, 3},
            {4, 5, 6}
        },
        {
            {7, 8, 9},
            {10, 11, 12}
        }
    };

    // Access and print a specific element
    printf("Accessing one element: arr[1][0][2] = %d\n", arr[1][0][2]);

    // Modify an element
    arr[0][1][2] = 99;

    // Pass to function to display all elements
    displayArray(arr);

    return 0;
}

编译并运行

输出

Accessing one element: arr[1][0][2] = 9
Elements of the 3D array:
arr[0][0][0] = 1
arr[0][0][1] = 2
arr[0][0][2] = 3
arr[0][1][0] = 4
arr[0][1][1] = 5
arr[0][1][2] = 99
arr[1][0][0] = 7
arr[1][0][1] = 8
arr[1][0][2] = 9
arr[1][1][0] = 10
arr[1][1][1] = 11
arr[1][1][2] = 12

说明

在这个例子中，我们通过创建一个小的2x2x3整数网格并赋以测试值来演示如何在C语言中使用三维数组。它特意将一个元素arr[0][1][2]改为99，并快速打印另一个arr[1][0][2]以演示索引如何工作。之后，一个辅助的displayArray()函数使用三个嵌套的for循环遍历每一层，并按顺序打印每个值。由于最后两个维度保持不变，该函数接受指向三维数组第一行的指针。

多维数组（二维和三维数组）的用途和不同应用

C语言中多维数组（二维和三维数组）的一些用途和应用如下：

二维数组可以有效地执行矩阵加法、转置、求逆、减法和乘法等操作。这些过程在数学计算、工程模拟和物理建模等领域至关重要。
RGB图像由三维数组表示，而灰度图像由二维数组表示。此框架有助于几何变换、滤镜应用和对比度调整。
三维数组通过表示跨越三维空间的分量，促进对温度场、流体动力学或大气变化等动态自然系统的模拟和分析。
国际象棋、井字棋、数独和类似谜题都可以使用二维数组有效地描绘。在日益复杂的游戏中，三维数组可以跟踪游戏环境、层或状态的多个级别。
二维数组对于企业和学术软件应用程序至关重要，因为它们非常适合存储预算表、员工考勤记录和成绩单等结构化数据。
三维数组是定义多级数据集的有用技术，例如课程、学生和科目的学习记录。它允许对深度分层数据进行结构化访问。
三维数组通常用于CAD工具和图形引擎中，用于在三维空间中存储体素数据、定义空间坐标和建模对象。

多维数组的优点

C语言中多维数组的几个优点如下：

结构化数组通过对复杂数据（包括来自模拟的矩阵、图像和网格）进行有组织地表示，简化了现实世界场景的表示。
以分层数组形式访问内存：对于科学模拟和图像处理等时间敏感操作，以分层格式（如矩阵、图像和网格）存储的数据易于访问和遍历，这使得数组的使用具有优势。
简化多层数据的表示：通过合适的索引指标，使用数组可以轻松编码分层层次数据，如学校结构部门→团队→员工或班级→学生→科目图。

多维数组的缺点

C语言中多维数组的几个缺点如下：

内存浪费和固定大小：在静态数组中，如果结构太小或只填充了一半，可能会出现内存浪费或溢出问题。
在C编程中，处理动态或不规则数据结构时，普通数组不如链表或动态内存方法有效，因为它们的大小在编译时固定，不能在程序执行期间修改。
更高维度复杂性：对于复杂的嵌套循环和大型系统，多维数组比二维数组更难理解、调试和维护。

C语言中二维数组和三维数组的区别

C语言中二维数组和三维数组的几个区别如下：

特性	二维数组	三维数组
定义	数组的数组（行 × 列）	二维数组的数组（深度 × 行 × 列）
声明语法	int arr[3][4];	int arr[2][3][4];
维度	两个维度（2轴）	三个维度（3轴）
可视化	表格或矩阵	多个堆叠的表格/层
元素访问	arr[i][j]	arr[i][j][k]
内存布局	行主序	它使用行主序内存布局，但嵌套更深。
常见用例	网格、矩阵、表格、学生成绩等。	三维模型、模拟、RGB图像数据等。
复杂度	易于管理	由于多了一个维度，它更复杂。
函数参数语法	void func(int arr[][4])	void func(int arr[][3][4])

结论

总之，多维结构化数据必须使用C语言中的二维和三维数组进行处理和可视化。凭借其逻辑结构和按行按列访问，二维数组非常适合表格数据，如矩阵、网格和学生记录。三维数组技术可能对复杂数据结构有用，如模拟、堆叠矩阵和三维模型。

这两种类型的数组都利用堆叠循环来增强处理、访问和存储能力。理解二维和三维数组使开发人员能够创建逻辑、可扩展和高效的工程和科学系统。