數(shù)組概述

Array Allocation

對(duì)于數(shù)據(jù)類(lèi)型 T 和 整型常數(shù) N，聲明如下 T A[N]，這個(gè)聲明有如下效果：

1. 首先，計(jì)算機(jī)在內(nèi)存中分配一個(gè) L * N 字節(jié)的連續(xù)區(qū)域，這里 L 指的是數(shù)據(jù)類(lèi)型 T 的大小。
2. 數(shù)組引入標(biāo)識(shí) A, 可以用 A 來(lái)作為指向數(shù)組開(kāi)頭的指針，這個(gè)指針的值表示為 Xa，可以用 0 ~ N-1 的整數(shù)索引來(lái)訪問(wèn)該數(shù)組元素,第 i 個(gè)數(shù)組元素會(huì)被存放在地址為 Xa + L*i 的地方。

訪問(wèn)數(shù)組

Array Access

C 語(yǔ)言允許對(duì)指針進(jìn)行運(yùn)算，而計(jì)算出來(lái)的值會(huì)根據(jù)該指針引用的數(shù)據(jù)類(lèi)型的大小進(jìn)行伸縮。也就是說(shuō)，如果 p 是一個(gè)指向類(lèi)型為 T 的數(shù)據(jù)的指針，p 的值為 xp, 那么表達(dá)式 p+i 的值為 xp + L*i，這里 L 是數(shù)據(jù)類(lèi)型 T 的大小。操作符 & 可以產(chǎn)生指針，操作符 * 可以產(chǎn)生間接引用指針。也就是說(shuō)，對(duì)于一個(gè)表示某個(gè)對(duì)象的表達(dá)式 Expr， &Expr 是給出該對(duì)象地址的一個(gè)指針。對(duì)于一個(gè)表示地址的表達(dá)式 AExpr, *AExp 是給出該地址處的值。因此，表達(dá)式 Expr 和 *&Expr 是等價(jià)的。可以對(duì)數(shù)組和指針應(yīng)用數(shù)組下標(biāo)操作，數(shù)組引用 A[ i ] 等價(jià)于表達(dá)式 *（A+i）,它計(jì)算第 i 個(gè)數(shù)組元素的地址，然后訪問(wèn)這個(gè)內(nèi)存地址。

嵌套數(shù)組

Nested Array

當(dāng)我們創(chuàng)建數(shù)組類(lèi)型的數(shù)組時(shí)，數(shù)組分配和引用的一般原則也是成立的。創(chuàng)建了一個(gè) T 數(shù)據(jù)類(lèi)型的嵌套數(shù)組 A [R][C]，表示數(shù)組有 R 行，C 列，一個(gè) T 數(shù)據(jù)類(lèi)型需要 k 個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)。 整個(gè)數(shù)組 A 的大小就是 R * C * k 字節(jié)。要訪問(wèn)嵌套數(shù)組的元素，編譯器會(huì)以數(shù)組起始為基地址，偏移量為索引，計(jì)算出期望的元素的偏移量。對(duì)于 A[R][C] 來(lái)說(shuō)， &A[i][j] 的內(nèi)存地址為 &A[R][C] = x + k * ( C * i + j )，其中 x 為數(shù)組 A 的起始地址， k是數(shù)據(jù)類(lèi)型 T 以字節(jié)為單位的大小。

數(shù)據(jù)內(nèi)存排列順序

二維數(shù)組在內(nèi)存中的排列順序是以行為主，如上圖所示，int A[R][C] 中 R 的值先從 0 開(kāi)始，接著 C 的值從 0 ~ (c-1), 之后 R 的值到 1， C 的值再?gòu)?0 ~ (c-1), 直到 R 的值為 R-1。

多維數(shù)組

回憶一下，上面提到的嵌套數(shù)組。

Nested Array Example

那么接下來(lái)講講多維數(shù)組，這兩個(gè)概念可是不一樣的哦！

Multi-Level Array Example

上圖中，首先定義了三個(gè) zip_dig 類(lèi)型的數(shù)組 cmu,uw,ucb。然后定義了一個(gè) univ 的指針數(shù)組，該指針數(shù)組保存了 cmu,uw,ucb 的值。注意一下，univ 保存的是指針。

那么怎么訪問(wèn)嵌套數(shù)組呢？又怎么訪問(wèn)多維數(shù)組呢？

Array Element Accesses

對(duì)于嵌套數(shù)組來(lái)說(shuō)，數(shù)組在內(nèi)存的排列是連續(xù)的。所以數(shù)組元素的內(nèi)存地址的計(jì)算方式是 Mem [ sea + 20 * index + 4 *dig ] ，其中 sea 是數(shù)組的起始地址，4 是數(shù)組中每個(gè)元素的字節(jié)大小， 20 是嵌套數(shù)組每行的內(nèi)存容量由 4 * 5 得來(lái)，Mem表示內(nèi)存數(shù)組。

嵌套數(shù)組

對(duì)于多維數(shù)組來(lái)說(shuō)，數(shù)組在內(nèi)存的排列則是非連續(xù)性的，依賴于指針的值。數(shù)組元素的內(nèi)存地址的計(jì)算方式需要經(jīng)過(guò) 2 個(gè)步驟，第一個(gè)步驟是計(jì)算出一維數(shù)組的指針地址 Mem[univ + 4 * index],第二個(gè)步驟才是計(jì)算出數(shù)組元素的地址 Mem[ Mem[univ + 4 * index] + 4* dig]。其中 univ 是多維數(shù)組的起始位置， 4 是數(shù)組中每個(gè)元素的字節(jié)大小，Mem表示內(nèi)存數(shù)組。

多維數(shù)組

結(jié)構(gòu)體

Structures

C 語(yǔ)言的 struct 聲明創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型，將可以能不同類(lèi)型的對(duì)象聚合到一個(gè)對(duì)象中，用名字來(lái)引用結(jié)構(gòu)中的各個(gè)組成部分。類(lèi)似于數(shù)組的實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)中的所有組成部分都存放在內(nèi)存中一段連續(xù)的區(qū)域內(nèi)，而指向結(jié)構(gòu)的指針就是結(jié)構(gòu)第一個(gè)字節(jié)的地址，結(jié)構(gòu)體中的變量的偏移地址是由編譯器在編譯時(shí)期確定的。

Structures

對(duì)于 struct 的實(shí)例來(lái)說(shuō)，我們可以使用點(diǎn)（.）操作符來(lái)引用 struct 的變量

struct rec r1; 
r1.i = val; 

也可以使用指針來(lái)表示 struct，如 struct rec *r = &r1;
使用指針和點(diǎn)（.）操作符來(lái)訪問(wèn) struct 變量

struct rec r1; 
(*r1).i = val; 

使用箭頭（->）操作符來(lái)訪問(wèn) struct 變量

r->i = val;

結(jié)構(gòu)體對(duì)齊

Structures & Alignment

數(shù)據(jù)對(duì)齊的實(shí)現(xiàn)是依賴于機(jī)器的，IA32 Linux,x86-64 Linux 和 window 都是有差異的。

Unaligned Data

如上圖所示，結(jié)構(gòu)體 S1 的內(nèi)存排列順序在未進(jìn)行對(duì)齊的情況下是這樣的。按結(jié)構(gòu)體的變量聲明順序排列，每個(gè)變量的容量大小按變量類(lèi)型的字節(jié)大小分配。

Aligned Data

在數(shù)據(jù)對(duì)齊中，有 2 個(gè)重要的點(diǎn)，第

1. 假設(shè)變量的數(shù)據(jù)類(lèi)型的字節(jié)大小 k 。
2. 對(duì)于數(shù)據(jù)類(lèi)型的字節(jié)大小為 k 的變量，這個(gè)變量的地址必須是 k 的倍數(shù)。

對(duì)于結(jié)構(gòu)體 S1, char c 分配 1 個(gè)字節(jié)， int i [2] 分配 8 個(gè)字節(jié)， double v 分配 8 個(gè)字節(jié)。

1. 從結(jié)構(gòu)體對(duì)齊的角度來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)體 S1 的第一個(gè)變量 c 的地址必須是結(jié)構(gòu)體 S1 的最大數(shù)據(jù)類(lèi)型 double 的字節(jié)大小的倍數(shù)。
2. 結(jié)構(gòu)體 S1 的第二個(gè)變量是 int 類(lèi)型的 i[0],根據(jù) “對(duì)于數(shù)據(jù)類(lèi)型的字節(jié)大小為 k 的變量，這個(gè)變量的地址必須是 k 的倍數(shù)” 的原則， i[0] 的地址必須是 4 的倍數(shù)，所以需要在 c 之后增加 3 個(gè) 字節(jié)的位置之后再放置 i[0]。
3. 結(jié)構(gòu)體 S1 的第二個(gè)變量是 int 類(lèi)型的 i[1],由于 i[0] 的地址是 4 的倍數(shù)，而且 i[0] 占用 4 個(gè)位置，所以 i[0] 之后不需要增加額外的位置，可以直接放置 i[1]。
4. 結(jié)構(gòu)體 S1 的第三個(gè)變量 v 是 double 類(lèi)型，所以 v 的地址需要是 8 的倍數(shù)，i[1] 的地址是 8 的倍數(shù)，而 i[1] 的容量是 4，所以需要再增加額外的 4 個(gè)字節(jié)之后再放置 v。
5. 所以結(jié)構(gòu)體 S1 的內(nèi)存對(duì)齊格式如上圖所示。

總結(jié)

數(shù)組和結(jié)構(gòu)體是 C 語(yǔ)言編程過(guò)程中經(jīng)常使用到的數(shù)據(jù)類(lèi)型，對(duì)它們的理解越多越深，更能避免使用過(guò)程中的各種錯(cuò)誤。

參考

本文是華盛頓大學(xué)的公開(kāi)課 《 The Hardware / Software Interface 》的課程筆記，該課程的參考書(shū)籍是大名鼎鼎的 CSAPP 也就是《 深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 》這書(shū)。文章截圖來(lái)源于課程，文章的內(nèi)容也參考了 CSAPP 的書(shū)本內(nèi)容。

1. https://courses.cs.washington.edu/courses/cse351/17wi/videos.html
2. https://book.douban.com/subject/26912767/