8장 다차원 배열

감사의 글

유튜브 동영상 모음집 (나도코딩 C)에서 설명하는 코드를 활용합니다. 강의동영상을 공개한 나도코딩님께 감사드립니다.

핵심

  • 다차원 배열 이해

(C 언어) 동물 뒤집기(메모리 게임)

게임 설명

  • 카드를 뒤집어서 동일한 동물이 그려진 카드 두 장 선택하는 게임

(C 언어) 다차원 배열 기본

  • 1차원, 2차원, 3차원 배열 이해하기
#include <stdio.h>

int main(){
    // 다차원 배열

    // 1차원 배열
    int arr[5];

    // { ㅁㅁㅁㅁㅁ }

    // 2차원 배열
    int arr2[2][5];     // 길이가 5인 배열이 두 개 있다는 의미로 이해됨.
                        // 보다 실용적으로는 2x5 모양의 행렬로 이해할 수 있음.
    // { 
    //   {ㅁㅁㅁㅁㅁ},
    //   {ㅁㅁㅁㅁㅁ},
    // }

    // 3차원 배열
    int arr3[3][2][5]; // 길이가 5인 배열 두 개를 포함한 배열이 3개 있다는 의미로 이해됨.
                       // 보다 실용적으로는 길이가 5인 배열을 항목으로 갖는 3x2 모양의 행렬로 이해 가능
                       // 이미지 픽셀을 다룰 때 보통 이렇게 사용됨.

    // { 
    //   { {ㅁㅁㅁㅁㅁ}, {ㅁㅁㅁㅁㅁ} },
    //   { {ㅁㅁㅁㅁㅁ}, {ㅁㅁㅁㅁㅁ} },
    //   { {ㅁㅁㅁㅁㅁ}, {ㅁㅁㅁㅁㅁ} } 
    // }

    return 0;
}

(C 언어) 다차원 배열 접근

  • 항목 접근은 차원에 맞는 좌표 이용 (아래 그림 참조)
  • 3차원까지는 행렬 개념으로 이해하면 됨.
x1 = arr[2];        // 2번 인덱스 값
x2 = arr2[0][5];    // 0번 행 5번 열 값
x3 = arr3[2][1][3]; // 2번 행 1번 열의 3번 인덱스 값

(C 언어) 다차원 배열 선언

  • 차원에 맞게 중괄호를 중첩으로 적용하여 선언
#include <stdio.h>

int main(){
    // 다차원 배열

    // 1차원 배열
    int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};

    // 2차원 배열
    int arr2[2][5] = {
        {1, 2, 3, 4, 5},
        {6, 7, 8, 9, 10}
    };

    // 3차원 배열
    int arr3[3][2][5] = {
        {{1, 2, 3, 4, 5},
         {6, 7, 8, 9, 10}},
        {{1, 2, 3, 4, 5},
         {6, 7, 8, 9, 10}},
        {{1, 2, 3, 4, 5},
         {6, 7, 8, 9, 10}}
    };

    return 0;
}

Python 구현

In [1]:
# 1차원 배열
arr = [1, 2, 3, 4, 5]
In [2]:
# 2차원 배열
arr2 = [
        [1, 2, 3, 4, 5],
        [6, 7, 8, 9, 10]
       ]
In [3]:
# 3차원 배열
arr3= [
        [[1, 2, 3, 4, 5],
         [6, 7, 8, 9, 10]],
        [[1, 2, 3, 4, 5],
         [6, 7, 8, 9, 10]],
        [[1, 2, 3, 4, 5],
         [6, 7, 8, 9, 10]]
      ]
  • 넘파이(numpy) 모듈의 어레이(array)를 사용하면 보다 많은 정보를 쉽게 다룰 수 있음.
In [4]:
import numpy as np

arr3_array = np.array(arr3)
  • arr3_array는 어레이 자료형임.
In [5]:
type(arr3_array)
Out[5]:
numpy.ndarray
  • shape 속성에 차원 정보가 들어있음.
In [6]:
arr3_array.shape
Out[6]:
(3, 2, 5)

(C 언어) 다차원 배열 사용: 반복문 활용

  • 차원에 따라 반복문의 중첩 정도가 달라짐.

2차원 배열과 반복문

#include <stdio.h>

int main(){
    // 다차원 배열

    // 2차원 배열
    int arr2[2][5] = {
        {1, 2, 3, 4, 5},
        {6, 7, 8, 9, 10}
    };

    printf("2차원 배열 항목 확인\n\n");
    for (int i = 0; i<2; i++)
    {
        for (int j = 0; j<5; j++)
        {
            printf("2차원 배열 (%d, %d)의 값: %d\n", i, j, arr2[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }

    return 0;
}

2차원 배열 항목 확인

2차원 배열 (0, 0)의 값: 1
2차원 배열 (0, 1)의 값: 2
2차원 배열 (0, 2)의 값: 3
2차원 배열 (0, 3)의 값: 4
2차원 배열 (0, 4)의 값: 5

2차원 배열 (1, 0)의 값: 6
2차원 배열 (1, 1)의 값: 7
2차원 배열 (1, 2)의 값: 8
2차원 배열 (1, 3)의 값: 9
2차원 배열 (1, 4)의 값: 10

3차원 배열과 반복문

#include <stdio.h>

int main(){
    // 다차원 배열

    // 3차원 배열
    int arr3[3][2][5] = {
        {
            {1, 2, 3, 4, 5},
            {6, 7, 8, 9, 10}
        },
        {
            {11, 12, 13, 14, 15},
            {16, 17, 18, 19, 20}
        },
        {
            {21, 22, 23, 24, 25},
            {26, 27, 28, 29, 30}
        }
    };

    printf("3차원 배열 항목 확인\n\n");
    for (int i = 0; i<3; i++)
    {
        for (int j = 0; j<2; j++)
        {
            for (int k = 0; k<5; k++)
            {
                printf("3차원 배열 (%d, %d, %d)의 값: %d\n", i, j, k, arr3[i][j][k]);
            }
            printf("\n");
        }
        printf("\n");
    }

    return 0;
}

3차원 배열 항목 확인

3차원 배열 (0, 0, 0)의 값: 1
3차원 배열 (0, 0, 1)의 값: 2
3차원 배열 (0, 0, 2)의 값: 3
3차원 배열 (0, 0, 3)의 값: 4
3차원 배열 (0, 0, 4)의 값: 5

3차원 배열 (0, 1, 0)의 값: 6
3차원 배열 (0, 1, 1)의 값: 7
3차원 배열 (0, 1, 2)의 값: 8
3차원 배열 (0, 1, 3)의 값: 9
3차원 배열 (0, 1, 4)의 값: 10


3차원 배열 (1, 0, 0)의 값: 11
3차원 배열 (1, 0, 1)의 값: 12
3차원 배열 (1, 0, 2)의 값: 13
3차원 배열 (1, 0, 3)의 값: 14
3차원 배열 (1, 0, 4)의 값: 15

3차원 배열 (1, 1, 0)의 값: 16
3차원 배열 (1, 1, 1)의 값: 17
3차원 배열 (1, 1, 2)의 값: 18
3차원 배열 (1, 1, 3)의 값: 19
3차원 배열 (1, 1, 4)의 값: 20


3차원 배열 (2, 0, 0)의 값: 21
3차원 배열 (2, 0, 1)의 값: 22
3차원 배열 (2, 0, 2)의 값: 23
3차원 배열 (2, 0, 3)의 값: 24
3차원 배열 (2, 0, 4)의 값: 25

3차원 배열 (2, 1, 0)의 값: 26
3차원 배열 (2, 1, 1)의 값: 27
3차원 배열 (2, 1, 2)의 값: 28
3차원 배열 (2, 1, 3)의 값: 29
3차원 배열 (2, 1, 4)의 값: 30

Python 구현

  • 반복문 사용은 기본적으로 동일함.
In [7]:
print("3차원 배열 항목 확인\n")

for i in range(3):
    for j in range(2):
        for k in range(5):
            print("3차원 배열 (%d, %d, %d)의 값: %d" % (i, j, k, arr3[i][j][k]))
    print()

3차원 배열 항목 확인

3차원 배열 (0, 0, 0)의 값: 1
3차원 배열 (0, 0, 1)의 값: 2
3차원 배열 (0, 0, 2)의 값: 3
3차원 배열 (0, 0, 3)의 값: 4
3차원 배열 (0, 0, 4)의 값: 5
3차원 배열 (0, 1, 0)의 값: 6
3차원 배열 (0, 1, 1)의 값: 7
3차원 배열 (0, 1, 2)의 값: 8
3차원 배열 (0, 1, 3)의 값: 9
3차원 배열 (0, 1, 4)의 값: 10

3차원 배열 (1, 0, 0)의 값: 1
3차원 배열 (1, 0, 1)의 값: 2
3차원 배열 (1, 0, 2)의 값: 3
3차원 배열 (1, 0, 3)의 값: 4
3차원 배열 (1, 0, 4)의 값: 5
3차원 배열 (1, 1, 0)의 값: 6
3차원 배열 (1, 1, 1)의 값: 7
3차원 배열 (1, 1, 2)의 값: 8
3차원 배열 (1, 1, 3)의 값: 9
3차원 배열 (1, 1, 4)의 값: 10

3차원 배열 (2, 0, 0)의 값: 1
3차원 배열 (2, 0, 1)의 값: 2
3차원 배열 (2, 0, 2)의 값: 3
3차원 배열 (2, 0, 3)의 값: 4
3차원 배열 (2, 0, 4)의 값: 5
3차원 배열 (2, 1, 0)의 값: 6
3차원 배열 (2, 1, 1)의 값: 7
3차원 배열 (2, 1, 2)의 값: 8
3차원 배열 (2, 1, 3)의 값: 9
3차원 배열 (2, 1, 4)의 값: 10

(C 언어) 프로젝트

  • 동물 뒤집기(메모리 게임)
    • 10마리의 서로 다른 동물 (동물 별로 두 장의 카드 사용)
    • 사용자로부터 2개의 입력값을 받아 같은 동물을 츶으면 카드 뒤집기
    • 총 실패 횟수 알려주기
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

int arrayAnimal[4][5]; // 카드 20장의 위치 지정
int checkAnimal[4][5]; // 뒤집혔는지 여부를 기억하는 배열. 항목이 0으로 자동 초기화됨.
char * strAnimal[10];  // 동물 이름들의 배열

void initAnimalArray();
void initAnimalName();
void shuffleAnimal();
int getEmptyPosition();
int conv_pos_x(int x);
int conv_pos_y(int y);
void printAnimals();
void printQuestion();
int foundAllAnimals();

int main()
{
    srand(time(NULL));

    initAnimalArray();
    initAnimalName();

    shuffleAnimal();

    int failCount = 0; // 실패 횟수 저장

    while(1)
    {
        int select1 = 0; // 사용자 선택 수 1
        int select2 = 0; // 사용자 선택 수 2

        printAnimals(); // 동물 위치 출력
        printQuestion(); // 문제 출력(카드 지도 보여주기)

        printf("뒤집을 카드 두 개를 고르세요: ");
        scanf("%d %d", &select1, &select2);

        if (select1 == select2)
            continue; 

        // 좌표를 확인한 다음에 동일한 동물인지 확인하기
        int firstSelect_x = conv_pos_x(select1);
        int firstSelect_y = conv_pos_y(select1);

        int secondSelect_x = conv_pos_x(select2);
        int secondSelect_y = conv_pos_y(select2);

        // 아직 뒤집히지 않은 카드이고 두 동물이 동일한지 여부확인
        if (
            checkAnimal[firstSelect_x][firstSelect_y] == 0
            && checkAnimal[secondSelect_x][secondSelect_y] == 0
            && arrayAnimal[firstSelect_x][firstSelect_y] 
                == arrayAnimal[secondSelect_x][secondSelect_y]
            )
        {
            printf("\n\n빙고! : %15s 발견\n\n", 
                    strAnimal[arrayAnimal[firstSelect_x][firstSelect_y]]);
            checkAnimal[firstSelect_x][firstSelect_y] = 1;
            checkAnimal[secondSelect_x][secondSelect_y] = 1;
        }
        else{
            printf("\n\n땡!! (틀렸거나 아미 뒤집힌 카드입니다!\n");
            printf("%d : %s\n", select1, 
                    strAnimal[arrayAnimal[firstSelect_x][firstSelect_y]]);
            printf("%d : %s\n", select2, 
                    strAnimal[arrayAnimal[secondSelect_x][secondSelect_y]]);
            printf("\n\n");

            failCount++;
        }

        // 모든 동물을 다 찾은 경우
        if (foundAllAnimals() == 1)
        {
            printf("\n\n축하합니다! 모든 동물을 다 찾았네요!\n");
            printf("지금까지 총 %d번 실수하였습니다.\n", failCount);
            break;
        }
    }

    return 0;
}

void initAnimalArray()
{
    for (int i=0; i < 4; i++) 
    {
        for (int j = 0; j < 5; j++)
        {
            arrayAnimal[i][j] = -1; // 카드 선정 초기화
        }
    }
}

void initAnimalName()
{
    strAnimal[0] = "원숭이";
    strAnimal[1] = "하마";
    strAnimal[2] = "강아지";
    strAnimal[3] = "고양이";
    strAnimal[4] = "돼지";

    strAnimal[5] = "코끼리";
    strAnimal[6] = "기린";
    strAnimal[7] = "낙타";
    strAnimal[8] = "타조";
    strAnimal[9] = "호랑이";
}

void shuffleAnimal()
{
    // 10마리의 동물을 2번씩 무작위로
    // 4x5 크기의 2차원 행렬에 위치시키기
    for (int i = 0; i<10; i++)
    {
        for (int j = 0; j<2; j++)
        {
            int pos = getEmptyPosition();
            int x = conv_pos_x(pos);
            int y = conv_pos_y(pos);

            arrayAnimal[x][y] = i;
        }
    }
}

int getEmptyPosition()
{
    // 4x5 크기의 행렬에서 빈 위치의 좌표 찾기
    while(1)
    {
        int randPos = rand() % 20; // 0-19 사이의 숫자 반환
        int x = conv_pos_x(randPos);
        int y = conv_pos_y(randPos);

        if (arrayAnimal[x][y] == -1)
        {
            return randPos;
        }
    }
    return 0;
}

int conv_pos_x(int x)
{
    // 4x5 크기의 2차원 배열에서 행의 값 확인
    return x / 5;
}

int conv_pos_y(int y)
{
    // 4x5 크기의 2차원 배열에서 열의 값 확인
    return y % 5;
}

void printAnimals()
{
    printf("\n=====쉿, 이건 비밀인데 몰래 보여주는 거임.=====\n\n");
    // 4x5 크기의 동물로 구성된 행렬 출력
    for (int i=0; i<4; i++)
    {
        for (int j=0; j<5; j++)
        {
            printf("%15s", strAnimal[arrayAnimal[i][j]]);
        }
        printf("\n");
    }
    printf("\n=======================================\n\n");
}

void printQuestion()
{ 
    printf("\n\n(문제)\n");

    int seq = 0;

    for (int i=0; i<4; i++)
    {
        for (int j=0; j<5; j++)
        {
            // 카드를 뒤집어서 정답을 맞혔으면 동물이름 보여주기
            if (checkAnimal[i][j] != 0)
            {
                printf("%15s", strAnimal[arrayAnimal[i][j]]);
            }
            // 정답을 맞히지 못했으면 위치를 나타내는 숫자 보여주기
            else{
                printf("%15d", seq);
            }
            seq++;
        }
        printf("\n");
    }
}

int foundAllAnimals()
{
    for (int i=0; i<4; i++)
    {
        for (int j=0; j<5; j++)
        {
            if (checkAnimal[i][j] == 0)
            {
                return 0;
            }
        }
    }

    // 모든 동물을 다 찾은 경우
    return 1;
}

Python 구현

In [8]:
import random 
import time
import sys
  • arrayAnimlal 초기화 방법 1: 중첩 반복문 활용
In [9]:
arrayAnimal = []
In [10]:
def initAnimalArray():
    for _ in range(4):
        new = []
        for _ in range(5):
            new.append(-1)
        arrayAnimal.append(new)
In [11]:
initAnimalArray()
In [12]:
arrayAnimal
Out[12]:
[[-1, -1, -1, -1, -1],
 [-1, -1, -1, -1, -1],
 [-1, -1, -1, -1, -1],
 [-1, -1, -1, -1, -1]]
In [13]:
arrayAnimal = [[-1 for j in range(5)] for i in range(4)]
In [14]:
arrayAnimal
Out[14]:
[[-1, -1, -1, -1, -1],
 [-1, -1, -1, -1, -1],
 [-1, -1, -1, -1, -1],
 [-1, -1, -1, -1, -1]]
  • 동물 리스트 지정
In [15]:
strAnimal = ["원숭이", "하마", "강아지", "고양이", "돼지", "코끼리", "기린", "낙타", "타조", "호랑이"]
  • 동물 리스트 지정(영어): 줄간격 맞추기가 보다 용이함.
In [16]:
strAnimal = ["monkey", "hippo", "dog", "cat", "pig", 
             "elephant", "giraffe", "camel", "ostrich", "tiger"]

  • 동물사진이 뒤집혀져있는가에 대한 정보를 담는 2차원 배열

    • 0: 아직 숨겨져 있음(기본값)
    • 1: 이미 뒤집혀져서 게임에서 제외됨 (빙고일 경우 1로 변경됨)

  • 주의사항:

    • C 언어 코드에서 checkAnimal 2차원 배열은 선언만 되었고 항목 초기화가 이루지 지지 않았음.
    • 하지만 C 언어 컴파일 과정에서 자동으로 모든 항목이 0으로 초기화됨.
    • 참조: PythonTutor: 배열 초기화
  • 파이썬에서 배열 항목의 초기화는 자동으로 이루어지지 않음. 따라서 아래와 같이 직접 초기화 과정을 거쳐야 함.
In [17]:
checkAnimal = [[0 for j in range(5)] for i in range(4)]
In [18]:
checkAnimal
Out[18]:
[[0, 0, 0, 0, 0], [0, 0, 0, 0, 0], [0, 0, 0, 0, 0], [0, 0, 0, 0, 0]]
  • getEmptyPosition() 함수 정의
    • C 언어 코드에서와는 달리 좌표 x, y를 직접 튜플로 반환할 수 있음.
    • C 언어에서 튜플은 기본 자료형이 아님. 하지만 다음 시간에 배울 구조체를 이용하여 구현할 수는 있음.
In [19]:
def getEmptyPosition():
    current_time = int(time.time())
    random.seed(current_time)

    # 4x5 크기의 행렬에서 빈 위치의 좌표 찾기
    while True:
        randPos = random.randint(0, sys.maxsize) % 20 # 0-19 사이의 숫자 반환
        x = randPos // 5
        y = randPos % 5

        if (arrayAnimal[x][y] == -1):
            return x, y
  • conv_pos_x()와 conv_pos_y() 두 함수는 그래도 여전히 유용함.
In [20]:
def conv_pos_x(x):
    # 4x5 크기의 2차원 배열에서 행의 값 확인
    return x // 5
In [21]:
def conv_pos_y(y):
    # 4x5 크기의 2차원 배열에서 행의 값 확인
    return y % 5
  • shuffleAnimal(), printAnimals(), printQuestion(), foundAllAnimals() 네 함수는 동일하게 구현함.
  • 파이썬의 print() 는 기본적으로 줄바꿈을 실행한다는 것에만 주의하면 됨.
In [22]:
def shuffleAnimal():
    for i in range(10):
        for _ in range(2):
            x, y = getEmptyPosition()
            arrayAnimal[x][y] = i
In [23]:
def printAnimals():
    print("\n=====쉿, 이건 비밀인데 몰래 보여주는 거임.=====\n")
    # 4x5 크기의 동물로 구성된 행렬 출력
    for i in range(4):
        for j in range(5):
            print("%10s" % strAnimal[arrayAnimal[i][j]], end=' ')
        print()

    print("\n=======================================\n")
In [24]:
def printQuestion():
    print("\n\n(문제)")

    seq = 0

    for i in range(4):
        for j in range(5):
            # 카드를 뒤집어서 정답을 맞혔으면 동물이름 보여주기
            if (checkAnimal[i][j] != 0):
                print("%10s" % strAnimal[arrayAnimal[i][j]], end=' ')
            # 정답을 맞히지 못했으면 위치를 나타내는 숫자 보여주기
            else: 
                print("%10d" % seq, end=' ')

            seq += 1

        print("\n")
In [25]:
def foundAllAnimals():
    for i in range(4):
        for j in range(5):
            if (checkAnimal[i][j] == 0):
                return 0

    # 모든 동물을 다 찾은 경우
    return 1
  • main() 함수 본문 내용도 사실상 동일하게 구현 가능.
  • if __name__ == "__main__": 로 감싸는 이유
    • 다른 코드로 import 될 때 실행되지 않도록 하기 위함임.
    • 현재 코드를 하나의 파이썬 파일로 작성한 후 직접 실행하면 실행되지만 다른 코드에 임포트되면 실행되지 않음.
    • 리스트 조건제시법 이해에서도 C 언어 코드의 main() 함수와 파이썬의 if __name__ == "__main__":의 활용예제를 찾아볼 수 있음.
In [ ]:
if __name__ == "__main__":
    arrayAnimal = [[-1 for j in range(5)] for i in range(4)]
    
    strAnimal = ["monkey", "hippo", "dog", "cat", "pig", 
                 "elephant", "giraffe", "camel", "ostrich", "tiger"]
    
    checkAnimal = [[0 for j in range(5)] for i in range(4)]
    
    shuffleAnimal()

    failCount = 0 # 실패 횟수 저장

    while True:
        printAnimals() # 동물 위치 출력
        printQuestion() # 문제 출력(카드 지도 보여주기)
        
        # 사용자에 의해 선택된 두 개의 수
        select1, select2 = map(int, input("뒤집을 카드 2 개를 고르세요: ").split())

        if (select1 == select2):
            continue

        # 좌표를 확인한 다음에 동일한 동물인지 확인하기
        firstSelect_x = conv_pos_x(select1)
        firstSelect_y = conv_pos_y(select1)

        secondSelect_x = conv_pos_x(select2)
        secondSelect_y = conv_pos_y(select2)

        # 아직 뒤집히지 않은 카드이고 두 동물이 동일한지 여부확인
        if ( (checkAnimal[firstSelect_x][firstSelect_y] == 0)
             and (checkAnimal[secondSelect_x][secondSelect_y] == 0)
             and (arrayAnimal[firstSelect_x][firstSelect_y] 
                 == arrayAnimal[secondSelect_x][secondSelect_y]) ):
            
            print("\n\n빙고!: %10s 발견\n" %
                    strAnimal[arrayAnimal[firstSelect_x][firstSelect_y]])
            
            checkAnimal[firstSelect_x][firstSelect_y] = 1
            checkAnimal[secondSelect_x][secondSelect_y] = 1
        else:
            print("\n\n땡!! (틀렸거나 아미 뒤집힌 카드입니다!\n")
            print("%d : %s\n" % (select1, strAnimal[arrayAnimal[firstSelect_x][firstSelect_y]]))
            print("%d : %s\n" % (select2, strAnimal[arrayAnimal[secondSelect_x][secondSelect_y]]))
            print("\n")

            failCount += 1

        # 모든 동물을 다 찾은 경우
        if (foundAllAnimals() == 1):
            print("\n\n축하합니다! 모든 동물을 다 찾았네요!\n")
            print("지금까지 총 %d번 실수하였습니다.\n" % failCount)
            break

=====쉿, 이건 비밀인데 몰래 보여주는 거임.=====

       cat        dog   elephant      camel     monkey 
   ostrich    giraffe   elephant      hippo      tiger 
       pig    ostrich      camel     monkey    giraffe 
     tiger        pig        dog        cat      hippo 

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(문제)
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