C++中的不规则二维数组

技术背景

最近刚学习C++的一些编程技巧，对于一些相对比较陌生的问题，只能采取一些简单粗暴的方案来实现。就比如说，我们可以在Python中定义一个[[0,0,0],[1,2],[1,1,1],[3]]这样的不规则的二维数组(list)。那么如果我们想在C++中实现一个类似的数据结构，应该怎么去设计呢？更具体一点的问题，当我们给C++输入一个固定长度的数组，比如Shape为(4,3)，然后再给出一个Shape为(4,)的有效索引数组，保存的是第二个维度中数据的有效长度（这里有个要求是输入的有效位数处于固定长度数组的末尾，因为我们一般去更新数组时也是从末尾处push_back进去）。最后用一个数据结构保存这个不规则的二维数组，并且可以正常索引和打印。

数据结构设计

首先我们能够想到的是，用双重指针来对这样的一个不规则数组进行索引，第一个指针指向第一个维度，第二个指针指向第二个维度，就类似于张量中的两条边。由于第二个维度是不定长度的，因此我们需要使用一个结构体来包含一个不定长数组的指针，和具体的长度信息。

struct bucket{
    int num;
    int *ptr;
};

就比如这个bucket实现，对于单个bucket来说，可以用其中的*ptr指针来索引一个不定长度的数组，然后在外层定义一个*bucket指针，这样可以索引到对应的结构体中，形成一个二维的不定长度的数据结构。

代码实现

这里我们使用的案例是这样的，首先要构造一个定长的数组，然后对这个定长的数组的第二个维度进行分别的截断，再赋值给我们定义好的数据结构。这样做的好处是，在Python跟C++的接口中也能够使用这种方法来实现，我们只需要传给C++一个定长的数组，以及第二个维度的有效长度，就能在C++中使用这样一个不定长的数组进行高效的计算。详细代码如下所示：

// g++ main.cpp -o main && ./main
#include <iostream>

struct bucket{
    int num;
    int *ptr;
};

void print_bucket(bucket *bc, int shape[]){
    for (int i=0; i<4; i++){
        bucket bc_i = bc[i];
        printf("%d: ", bc_i.num);
        for (int j=0; j<shape[i]; j++){
            printf("%d,", bc_i.ptr[j]);
        }
        printf("\n");
    }
}

int main(){
    // 定长数组
    int arr[4][3] = {{0,1,2},{1,2,3},{2,3,4},{3,4,5}};
    // 有效长度
    int shape[4] = {2,3,2,1};
    // 先构建结构体数组
	bucket _bc[4];
    for (int i=0; i<4; i++){
        _bc[i].num = shape[i];
        _bc[i].ptr = arr[i];
        _bc[i].ptr += 3-shape[i];
    }
    // 再把结构体数组赋值给结构体指针
    bucket *bc = _bc;
    // 打印结构体的所有内容
    print_bucket(bc, shape);
    return 0;
}

输出结果为：

$ g++ main.cpp -o main && ./main
2: 1,2,
3: 1,2,3,
2: 3,4,
1: 5,

这里第一列输出的是每一个不定长数组的长度，后面的是不定长数组的具体内容。

总结概要

本文介绍了一个在C++中保存不定长二维数组的数据结构。在这个结构中，我们使用了一个含有指针和数组长度的结构体，用这样的一个结构体构造一个结构体数组，用于存储每一个不定长的数组。最后可以将这个不定长数组的内存地址赋值给一个结构体指针，那么这个结构体指针中就包含了所有不定长数组所需的内容。类似的使用场景，更多的出现在Python和C++两个不同的语言进行交互的时候，这样操作可以兼具Python的易开发特性和C++的高性能特性。

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作者ID：DechinPhy

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