C语言 多维数组的内存分配问题

1、分配连续内存块（推荐）

常见的分配方式，分配一个大的内存块，然后按行或列进行索引。相比其他方法，它的内存布局是连续的，因此访问速度快，也更易于释放内存。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int rows = 3, cols = 4;

    // 分配一个连续的内存块
    int *data = (int *)malloc(rows * cols * sizeof(int));

    if (data == NULL) {
        perror("Memory allocation failed");
        return 1;
    }

    // 创建指针数组，每个指针指向二维数组的一行
    int **array = (int **)malloc(rows * sizeof(int *));
    for (int i = 0; i < rows; i++) {
        array[i] = data + i * cols;
    }

    // 使用二维数组
    array[1][2] = 42;
    printf("array[1][2] = %d\n", array[1][2]);

    // 释放内存
    free(array);
    free(data);

    return 0;
}

2、分配不连续的内存块（每行独立分配）

为数组的每一行独立分配内存，虽然操作简单，但每一行在内存中的位置可能不是连续的。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    int rows = 3, cols = 4;
    // 分配指针数组
    int **array = (int **)malloc(rows * sizeof(int *));
    for (int i = 0; i < rows; i++) {
        array[i] = (int *)malloc(cols * sizeof(int));
    }
    // 使用二维数组
    array[1][2] = 42;
    printf("array[1][2] = %d\n", array[1][2]);
    // 释放内存
    for (int i = 0; i < rows; i++) {
        free(array[i]);
    }
    free(array);
    return 0;
}

3、单指针模拟二维数组

C语言中，二维数组在内存中是按行顺序存储的。可以利用这个特性，使用单指针来模拟二维数组。其基本思想是将二维数组看作是一个一维数组，通过计算偏移量来访问元素，使用单个指针，模拟二维数组的行为。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    int rows = 3, cols = 4;
    // 分配一块连续的内存
    int *array = (int *)malloc(rows * cols * sizeof(int));
    if (array == NULL) {
        perror("Memory allocation failed");
        return 1;
    }
    // 使用一维数组模拟二维数组
    array[1 * cols + 2] = 42;
    printf("array[1][2] = %d\n", array[1 * cols + 2]);
    // 释放内存
    free(array);
    return 0;
}

4、多维数组的内存分配错误示例

一个常见的错误示例，程序员误以为只分配一个指针数组就足够了：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    int rows = 3, cols = 4;
    // 错误：仅分配了指针数组，没有分配行内存
    int **array = (int **)malloc(rows * sizeof(int *));
    // 未正确分配内存会导致段错误（Segmentation Fault）
    array[1][2] = 42;  // 错误！
    // 释放内存（这也会导致未定义行为）
    free(array);
    return 0;
}

5、使用示例

使用连续内存块，因为它具有更高的访问速度，并且释放内存时不容易出错。确保每一维都分配了正确的内存，避免段错误或未定义行为。无论使用哪种方法，都需要确保使用 free() 释放所有分配的内存，以避免内存泄漏。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    int rows = 3, cols = 4;
    // 分配连续的内存块
    int *data = (int *)malloc(rows * cols * sizeof(int));
    int **array = (int **)malloc(rows * sizeof(int *));
    for (int i = 0; i < rows; i++) {
        array[i] = data + i * cols;
    }
    // 使用数组
    array[2][3] = 99;
    printf("array[2][3] = %d\n", array[2][3]);
    // 释放内存
    free(array);
    free(data);
    return 0;
}