在 C 语言中将 malloc 的 2d 数组修改为 3d 数组的函数

Question

我是C的新手，这是我在其中写的第一个程序。我的教授给了我们一个功能，用于将记忆分配为2D阵列，称为Malloc2d。我应该将其修改为为3D数组分配内存，但是对于C，我不确定该如何处理。我已经尝试查看其他Malloc功能的3D阵列，但它们看起来都不类似于我给出的功能。同样，我们有一个Free2D功能，还需要对3D数组进行修改。这是要修改的功能：

void** malloc2D(size_t rows, size_t cols, size_t sizeOfType){
    void* block = malloc(sizeOfType * rows * cols);
    void** matrix = malloc(sizeof(void*) * rows);
    for (int row = 0; row < rows; ++row) {
        matrix[row] = block + cols * row * sizeOfType;
    }//for
    return matrix;
}//malloc2D
void free2D(void*** matrix){
    free((*matrix)[0]);
    free((*matrix));
    matrix = NULL;
}//free2D

任何帮助或开始都将不胜感激。

Answer 1

我发现很难相信这是第一个练习；至少它是适度的。

修复2D代码

第一步应该是清理malloc2D()功能，以便不随意使用GCC扩展名 - 索引void *-因为标准C不允许使用(因为sizeof(void)在标准C中未定义，GNU C将其定义为1(。另外，需要修复free2D()中的错误；该函数的最后一行应读取*matrix = NULL;(省略了*(。该代码也应进行测试，因为访问矩阵的正确方法并不明显。

以下是一些修改的代码(与3D版本的一致性更名为"变量"(，测试了修订的2D代码：

/* SO 4885-6272 */
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <inttypes.h>
/* Should be declared in a header for use in other files */
extern void **malloc2D(size_t rows, size_t cols, size_t sizeOfType);
extern void free2D(void ***matrix);
void **malloc2D(size_t rows, size_t cols, size_t sizeOfType)
{
    void *level2 = malloc(sizeOfType * rows * cols);
    void **level1 = malloc(sizeof(void *) * rows);
    if (level2 == NULL || level1 == NULL)
    {
        free(level2);
        free(level1);
        return NULL;
    }
    for (size_t row = 0; row < rows; ++row)
    {
        level1[row] = (char *)level2 + cols * row * sizeOfType;
    }
    return level1;
}
void free2D(void ***matrix)
{
    free((*matrix)[0]);
    free((*matrix));
    *matrix = NULL;
}
static void test2D(size_t m2_rows, size_t m2_cols)
{
    printf("rows = %zu; cols = %zun", m2_rows, m2_cols);
    void **m2 = malloc2D(m2_rows, m2_cols, sizeof(double));
    if (m2 == NULL)
    {
        fprintf(stderr, "Memory allocation failed for 2D array of size %zux%zu doublesn",
                m2_rows, m2_cols);
        return;
    }
    printf("m2 = 0x%.12" PRIXPTR "; m2[0] = 0x%.12" PRIXPTR "n",
           (uintptr_t)m2, (uintptr_t)m2[0]);
    for (size_t i = 0; i < m2_rows; i++)
    {
        for (size_t j = 0; j < m2_cols; j++)
            ((double *)m2[i])[j] = (i + 1) * 10 + (j + 1);
    }
    for (size_t i = 0; i < m2_rows; i++)
    {
        for (size_t j = 0; j < m2_cols; j++)
            printf("%4.0f", ((double *)m2[i])[j]);
        putchar('n');
    }
    free2D(&m2);
    printf("m2 = 0x%.16" PRIXPTR "n", (uintptr_t)m2);
}
int main(void)
{
    test2D(4, 5);
    test2D(10, 3);
    test2D(3, 10);
    //test2D(300000000, 1000000000);  /* 2132 PiB - should fail to allocate on sane systems! */
    return 0;
}

在MacBook Pro运行MacOS High Sierra 10.13.3时，用GCC 7.3.0编译时，我得到了输出：

rows = 4; cols = 5
m2 = 0x7F83C04027F0; m2[0] = 0x7F83C0402750
  11  12  13  14  15
  21  22  23  24  25
  31  32  33  34  35
  41  42  43  44  45
m2 = 0x0000000000000000
rows = 10; cols = 3
m2 = 0x7F83C0402750; m2[0] = 0x7F83C04028C0
  11  12  13
  21  22  23
  31  32  33
  41  42  43
  51  52  53
  61  62  63
  71  72  73
  81  82  83
  91  92  93
 101 102 103
m2 = 0x0000000000000000
rows = 3; cols = 10
m2 = 0x7F83C04027A0; m2[0] = 0x7F83C04028C0
  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20
  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30
  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40
m2 = 0x0000000000000000

包括怪物分配，痕迹结束：

alloc3d19(8985,0x7fffa5d79340) malloc: *** mach_vm_map(size=2400000000000000000) failed (error code=3)
*** error: can't allocate region
*** set a breakpoint in malloc_error_break to debug
Memory allocation failed for 2D array of size 300000000x1000000000 doubles

适应3D代码

我选择将3D数组的前导维度称为"平面"；每平面包含一个由c列的r行的2D数组。

对我来说，我画了一个图表来说服自己我的作业正确 - 我搞砸了几次。在前两个表中的每个单元格中，第一个数字是包含数组中的单元格的索引编号(第一个表中的level1(，第二个是下一个级别的单元格的索引号(第一个表中的level2(。level3表中的数字仅仅是doubleA。

的索引

level1 (planes: 4)
╔═══════╗
║ 0: 00 ║
║ 1: 05 ║
║ 2: 10 ║
║ 3: 15 ║
╚═══════╝
level2 (planes: 4; rows: 5)
╔════════╦════════╦════════╦════════╦════════╗
║ 00: 00 ║ 01: 06 ║ 02: 12 ║ 03: 18 ║ 04: 24 ║
║ 05: 30 ║ 06: 36 ║ 07: 42 ║ 08: 48 ║ 09: 54 ║
║    …   ║    …   ║    …   ║    …   ║    …   ║
╚════════╩════════╩════════╩════════╩════════╝
level3 (planes: 4; rows: 5; cols: 6)
╔════╦═════╦═════╦═════╦═════╦═════╗
║  0 ║   1 ║   2 ║   3 ║   4 ║   5 ║
║  6 ║   7 ║   8 ║   9 ║  10 ║  11 ║
║ 12 ║  13 ║  14 ║  15 ║  16 ║  17 ║  Plane 0
║ 18 ║  19 ║  20 ║  21 ║  22 ║  23 ║
║ 24 ║  25 ║  26 ║  27 ║  28 ║  29 ║
╠════╬═════╬═════╬═════╬═════╬═════╣
║ 30 ║  31 ║  32 ║  33 ║  34 ║  35 ║
║ 36 ║  37 ║  38 ║  39 ║  40 ║  41 ║  Plane 1
║ …  ║  …  ║  …  ║  …  ║  …  ║  …  ║
╚════╩═════╩═════╩═════╩═════╩═════╝

使用该图 - 或带有箭头的纸和笔版本，上面有箭头， level1中平面p单元格中的值是 p * rows;平面p的单元格中的值，level2中的行r为p * rows + r) * cols;平面p，行r，level3中的单元格c中的值是(p * rows + r) * cols + c。但是价值不是整数。他们是指。因此，这些值必须按适当的大小缩放，并添加到level1，level2或level3 Space的基础地址中。

导致这样的代码：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <inttypes.h>
/* Should be declared in a header for use in other files */
extern void ***malloc3D(size_t planes, size_t rows, size_t cols, size_t sizeOfType);
extern void free3D(void ****matrix);
void ***malloc3D(size_t planes, size_t rows, size_t cols, size_t sizeOfType)
{
    void   *level3 = malloc(sizeOfType * planes * rows * cols);
    void  **level2 = malloc(sizeof(void *) * planes * rows);
    void ***level1 = malloc(sizeof(void **) * planes);
    //printf("planes = %zu; rows = %zu; cols = %zu; ", planes, rows, cols);
    //printf("level1 = 0x%.12" PRIXPTR "; level2 = 0x%.12" PRIXPTR "; level3 = 0x%.12" PRIXPTR "n",
    //        (uintptr_t)level1, (uintptr_t)level2, (uintptr_t)level3);
    fflush(stdout);
    if (level3 == NULL || level2 == NULL || level1 == NULL)
    {
        free(level3);
        free(level2);
        free(level1);
        return NULL;
    }
    for (size_t plane = 0; plane < planes; plane++)
    {
        level1[plane] = (void **)((char *)level2 + plane * rows * sizeof(void **));
        //printf("level1[%zu]   = 0x%.12" PRIXPTR "n", plane, (uintptr_t)level1[plane]);
        for (size_t row = 0; row < rows; ++row)
        {
            level2[plane * rows + row] = (char *)level3 + (plane * rows + row) * cols * sizeOfType;
            //printf("  level2[%zu] = 0x%.12" PRIXPTR "n",
            //       plane * rows + row, (uintptr_t)level2[plane * rows + row]);
        }
    }
    return level1;
}
void free3D(void ****matrix)
{
    free((*matrix)[0][0]);
    free((*matrix)[0]);
    free((*matrix));
    *matrix = NULL;
}
static void test3D(size_t m3_plns, size_t m3_rows, size_t m3_cols)
{
    printf("planes = %zu; rows = %zu; cols = %zun", m3_plns, m3_rows, m3_cols);
    void ***m3 = malloc3D(m3_plns, m3_rows, m3_cols, sizeof(double));
    if (m3 == NULL)
    {
        fprintf(stderr, "Memory allocation failed for 3D array of size %zux%zux%zu doublesn",
                m3_plns, m3_rows, m3_cols);
        return;
    }
    printf("m3 = 0x%.12" PRIXPTR "; m3[0] = 0x%.12" PRIXPTR "; m3[0][0] = 0x%.12" PRIXPTR "n",
           (uintptr_t)m3, (uintptr_t)m3[0], (uintptr_t)m3[0][0]);
    for (size_t i = 0; i < m3_plns; i++)
    {
        for (size_t j = 0; j < m3_rows; j++)
        {
            for (size_t k = 0; k < m3_cols; k++)
                ((double *)m3[i][j])[k] = (i + 1) * 100 + (j + 1) * 10 + (k + 1);
        }
    }
    for (size_t i = 0; i < m3_plns; i++)
    {
        printf("Plane %zu:n", i + 1);
        for (size_t j = 0; j < m3_rows; j++)
        {
            for (size_t k = 0; k < m3_cols; k++)
                printf("%4.0f", ((double *)m3[i][j])[k]);
            putchar('n');
        }
        putchar('n');
    }
    free3D(&m3);
    printf("m3 = 0x%.16" PRIXPTR "n", (uintptr_t)m3);
}
int main(void)
{
    test3D(4, 5, 6);
    test3D(3, 4, 10);
    test3D(4, 3, 7);
    test3D(4, 9, 7);
    test3D(30000, 100000, 100000000);  /* 2132 PiB - should fail to allocate on sane systems! */
    return 0;
}

示例输出(带有耗尽内存分配(：

planes = 4; rows = 5; cols = 6
m3 = 0x7FFCC94027F0; m3[0] = 0x7FFCC9402750; m3[0][0] = 0x7FFCC9402850
Plane 1:
 111 112 113 114 115 116
 121 122 123 124 125 126
 131 132 133 134 135 136
 141 142 143 144 145 146
 151 152 153 154 155 156
Plane 2:
 211 212 213 214 215 216
 221 222 223 224 225 226
 231 232 233 234 235 236
 241 242 243 244 245 246
 251 252 253 254 255 256
Plane 3:
 311 312 313 314 315 316
 321 322 323 324 325 326
 331 332 333 334 335 336
 341 342 343 344 345 346
 351 352 353 354 355 356
Plane 4:
 411 412 413 414 415 416
 421 422 423 424 425 426
 431 432 433 434 435 436
 441 442 443 444 445 446
 451 452 453 454 455 456
m3 = 0x0000000000000000
planes = 3; rows = 4; cols = 10
m3 = 0x7FFCC94027F0; m3[0] = 0x7FFCC9402750; m3[0][0] = 0x7FFCC9402840
Plane 1:
 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120
 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130
 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140
 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150
Plane 2:
 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220
 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230
 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240
 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250
Plane 3:
 311 312 313 314 315 316 317 318 319 320
 321 322 323 324 325 326 327 328 329 330
 331 332 333 334 335 336 337 338 339 340
 341 342 343 344 345 346 347 348 349 350
m3 = 0x0000000000000000
planes = 4; rows = 3; cols = 7
m3 = 0x7FFCC94027F0; m3[0] = 0x7FFCC9402750; m3[0][0] = 0x7FFCC9402840
Plane 1:
 111 112 113 114 115 116 117
 121 122 123 124 125 126 127
 131 132 133 134 135 136 137
Plane 2:
 211 212 213 214 215 216 217
 221 222 223 224 225 226 227
 231 232 233 234 235 236 237
Plane 3:
 311 312 313 314 315 316 317
 321 322 323 324 325 326 327
 331 332 333 334 335 336 337
Plane 4:
 411 412 413 414 415 416 417
 421 422 423 424 425 426 427
 431 432 433 434 435 436 437
m3 = 0x0000000000000000
planes = 4; rows = 9; cols = 7
m3 = 0x7FFCC94027F0; m3[0] = 0x7FFCC9402840; m3[0][0] = 0x7FFCC9802000
Plane 1:
 111 112 113 114 115 116 117
 121 122 123 124 125 126 127
 131 132 133 134 135 136 137
 141 142 143 144 145 146 147
 151 152 153 154 155 156 157
 161 162 163 164 165 166 167
 171 172 173 174 175 176 177
 181 182 183 184 185 186 187
 191 192 193 194 195 196 197
Plane 2:
 211 212 213 214 215 216 217
 221 222 223 224 225 226 227
 231 232 233 234 235 236 237
 241 242 243 244 245 246 247
 251 252 253 254 255 256 257
 261 262 263 264 265 266 267
 271 272 273 274 275 276 277
 281 282 283 284 285 286 287
 291 292 293 294 295 296 297
Plane 3:
 311 312 313 314 315 316 317
 321 322 323 324 325 326 327
 331 332 333 334 335 336 337
 341 342 343 344 345 346 347
 351 352 353 354 355 356 357
 361 362 363 364 365 366 367
 371 372 373 374 375 376 377
 381 382 383 384 385 386 387
 391 392 393 394 395 396 397
Plane 4:
 411 412 413 414 415 416 417
 421 422 423 424 425 426 427
 431 432 433 434 435 436 437
 441 442 443 444 445 446 447
 451 452 453 454 455 456 457
 461 462 463 464 465 466 467
 471 472 473 474 475 476 477
 481 482 483 484 485 486 487
 491 492 493 494 495 496 497
m3 = 0x0000000000000000

planes = 30000; rows = 100000; cols = 100000000
alloc3d79(9018,0x7fffa5d79340) malloc: *** mach_vm_map(size=2400000000000000000) failed (error code=3)
*** error: can't allocate region
*** set a breakpoint in malloc_error_break to debug
Memory allocation failed for 3D array of size 30000x100000x100000000 doubles