5. 多维数组

就像结构体可以嵌套一样，数组也可以嵌套，一个数组的元素可以是另外一个数组，这样就构成了多维数组（Multi-dimensional Array）。例如定义并初始化一个二维数组：

  1. int a[3][2] = { 1, 2, 3, 4, 5 };

数组a有3个元素，a[0]、a[1]、a[2]。每个元素也是一个数组，例如a[0]是一个数组，它有两个元素a[0][0]、a[0][1]，这两个元素的类型是int，值分别是1、2，同理，数组a[1]的两个元素是3、4，数组a[2]的两个元素是5、0。如下图所示：

图 8.3. 多维数组

多维数组

从概念模型上看，这个二维数组是三行两列的表格，元素的两个下标分别是行号和列号。从物理模型上看，这六个元素在存储器中仍然是连续存储的，就像一维数组一样，相当于把概念模型的表格一行一行接起来拼成一串，C语言的这种存储方式称为Row-major方式，而有些编程语言（例如FORTRAN）是把概念模型的表格一列一列接起来拼成一串存储的，称为Column-major方式。

多维数组也可以像嵌套结构体一样用嵌套Initializer初始化，例如上面的二维数组也可以这样初始化：

  1. int a[][2] = { { 1, 2 },
  2.         { 3, 4 },
  3.         { 5, } };

注意，除了第一维的长度可以由编译器自动计算而不需要指定，其余各维都必须明确指定长度。利用C99的新特性也可以做Memberwise Initialization，例如：

  1. int a[3][2] = { [0][1] = 9, [2][1] = 8 };

结构体和数组嵌套的情况也可以做Memberwise Initialization，例如：

  1. struct complex_struct {
  2.     double x, y;
  3. } a[4] = { [0].x = 8.0 };
  4.  
  5. struct {
  6.     double x, y;
  7.     int count[4];
  8. } s = { .count[2] = 9 };

如果是多维字符数组，也可以嵌套使用字符串字面值做Initializer，例如：

例 8.4. 多维字符数组

  1. #include <stdio.h>
  2.  
  3. void print_day(int day)
  4. {
  5.     char days[8][10] = { "", "Monday", "Tuesday",
  6.                  "Wednesday", "Thursday", "Friday",
  7.                  "Saturday", "Sunday" };
  8.  
  9.     if (day < 1 || day > 7)
  10.         printf("Illegal day number!\n");
  11.     printf("%s\n", days[day]);
  12. }
  13.  
  14. int main(void)
  15. {
  16.     print_day(2);
  17.     return 0;
  18. }

图 8.4. 多维字符数组

多维字符数组

这个程序中定义了一个多维字符数组char days[8][10];，为了使1~7刚好映射到days[1]~days[7]，我们把days[0]空出来不用，所以第一维的长度是8，为了使最长的字符串"Wednesday"能够保存到一行，末尾还能多出一个Null字符的位置，所以第二维的长度是10。

这个程序和例 4.1 “switch语句”的功能其实是一样的，但是代码简洁多了。简洁的代码不仅可读性强，而且维护成本也低，像例 4.1 “switch语句”那样一堆case、printf和break，如果漏写一个break就要出Bug。这个程序之所以简洁，是因为用数据代替了代码。具体来说，通过下标访问字符串组成的数组可以代替一堆case分支判断，这样就可以把每个case里重复的代码（printf调用）提取出来，从而又一次达到了“提取公因式”的效果。这种方法称为数据驱动的编程（Data-driven Programming），写代码最重要的是选择正确的数据结构来组织信息，设计控制流程和算法尚在其次，只要数据结构选择得正确，其它代码自然而然就变得容易理解和维护了，就像这里的printf自然而然就被提取出来了。[人月神话]中说过：“Show me your flowcharts and conceal your tables, and I shall continue to be mystified. Show me your tables, and I won’t usually need your flowcharts; they’ll be obvious.”

最后，综合本章的知识，我们来写一个最简单的小游戏－－剪刀石头布：

例 8.5. 剪刀石头布

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <stdlib.h>
  3. #include <time.h>
  4.  
  5. int main(void)
  6. {
  7.     char gesture[3][10] = { "scissor", "stone", "cloth" };
  8.     int man, computer, result, ret;
  9.  
  10.     srand(time(NULL));
  11.     while (1) {
  12.         computer = rand() % 3;
  13.           printf("\nInput your gesture (0-scissor 1-stone 2-cloth):\n");
  14.         ret = scanf("%d", &man);
  15.           if (ret != 1 || man < 0 || man > 2) {
  16.             printf("Invalid input! Please input 0, 1 or 2.\n");
  17.             continue;
  18.         }
  19.         printf("Your gesture: %s\tComputer's gesture: %s\n", 
  20.             gesture[man], gesture[computer]);
  21.  
  22.         result = (man - computer + 4) % 3 - 1;
  23.         if (result > 0)
  24.             printf("You win!\n");
  25.         else if (result == 0)
  26.             printf("Draw!\n");
  27.         else
  28.             printf("You lose!\n");
  29.     }
  30.     return 0;
  31. }

0、1、2三个整数分别是剪刀石头布在程序中的内部表示，用户也要求输入0、1或2，然后和计算机随机生成的0、1或2比胜负。这个程序的主体是一个死循环，需要按Ctrl-C退出程序。以往我们写的程序都只有打印输出，在这个程序中我们第一次碰到处理用户输入的情况。我们简单介绍一下scanf函数的用法，到第 2.9 节 “格式化I/O函数”再详细解释。scanf("%d", &man)这个调用的功能是等待用户输入一个整数并回车，这个整数会被scanf函数保存在man这个整型变量里。如果用户输入合法（输入的确实是数字而不是别的字符），则scanf函数返回1，表示成功读入一个数据。但即使用户输入的是整数，我们还需要进一步检查是不是在0~2的范围内，写程序时对用户输入要格外小心，用户有可能输入任何数据，他才不管游戏规则是什么。

和printf类似，scanf也可以用%c、%f、%s等转换说明。如果在传给scanf的第一个参数中用%d、%f或%c表示读入一个整数、浮点数或字符，则第二个参数的形式应该是&运算符加相应类型的变量名，表示读进来的数保存到这个变量中，&运算符的作用是得到一个指针类型，到第 1 节 “指针的基本概念”再详细解释；如果在第一个参数中用%s读入一个字符串，则第二个参数应该是数组名，数组名前面不加&，因为数组类型做右值时自动转换成指针类型，在第 2 节 “断点”有scanf读入字符串的例子。

留给读者思考的问题是：(man - computer + 4) % 3 - 1这个神奇的表达式是如何比较出0、1、2这三个数字在“剪刀石头布”意义上的大小的？