C语言进阶剖析 29 指针和数组分析（下）

• 问题： 数组名可以当作常量指针使用，那么指针是否也可以当作数组名来使用呢？

数组的访问方式

• 以下标的形式访问数组中的元素

void code_1()
{
    int a[5] = {0};
    
    a[1] = 3;
    a[2] = 5;
}

• 以指针的形式访问数组中的元素

void code_2()
{
    int a[5] = {0};
    
    *(a + 1) = 3;
    *(a + 2) = 5;
}

下标形式 VS 指针形式

• 指针以固定增量在数组中移动，效率高于下标形式
• 指针增量为 1 且硬件具有硬件增量模型时，效率更高
• 下表形式与指针形式的专函
  a[n] <--> *(a + n) <--> *(n + a) <--> n[a]

■ 注意：现代编译器生成代码的优化率已大大提高，固定增量时，下标形式的效率已经和指针相当；而且从可读性和代码维护性的角度来看，下标形式更优。

编程实验： 数组的访问方式

#include <stdio.h>

int main()
{
    int a[5] = {0};
    int* p  = a;
    int i = 0;
    
    for(i=0; i<5; i++)
    {
        p[i] = i + 1;
    }
    
    for(i=0; i<5; i++)
    {
        printf("a[%d] = %d\n", i, *(a + i));
    }
    
    printf("\n");
    
    for(i=0; i<5; i++)
    {
        i[a] = i + 11;
    }
    
    for(i=0; i<5; i++)
    {
        printf("p[%d] = %d\n", i, p[i]);
    }
    

    return 0;
}

输出：
a[0] = 1
a[1] = 2
a[2] = 3
a[3] = 4
a[4] = 5

p[0] = 11
p[1] = 12
p[2] = 13
p[3] = 14
p[4] = 15

编程实验： 数组和指针不同

test.c

#include <stdio.h>

int main()
{
    extern int* a;
    
    printf("&a = %p\n", &a);
    printf("a = %p\n", a);
    printf("*a = %d\n", *a);
}

ext.c

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

输出：【编译无警告，无错误】
&a = 0x804a014
a = 0x1
段错误

分析：

• 为什么编译没有警告，没有报错呢？
      ○ 编译器中，在编译阶段进行语法、语义检查，进行警告和错误提示。但是各个文件在编译阶段是互相独立的，文件之间没有关联。
      ○ 在 test.c 文件中， 编译器发现 extern int* a; 就会把 a 当作一个外部定义的 int*指针变量进行解析使用，不再做其它任何处理；
      ○ 在链接阶段，发现 a 符号确实是存在的，而连接器没有能力去检查 a 的属性，因此链接也无警告和错误提示，导致正常编译生成最终文件。

• 运行过程中发生了什么呢？

1. ext.c中，编译器发现 int a[] = {1, 2, 3, 4, 5}; 便会分配 20 字节空间，空间名为a，其中包含 5 个 int 类型元素，并进行初始化；
2. test.c中， 编译器发现 extern int* a; 此后 a 在当前文件中就会被当作 int* 指针变量进行解析；
3. &a 当前文件中，意图访问 int* 指针变量的地址，实质结果为访问数组a[5]的数组名a的地址,即访问数组首元素的地址&a[0]，&a[0] 对数组操作是有效的，因此正常输出0x804a014；
4. a 当前文件中，意图访问int* 指针变量存储的地址值，此时 a 地址为 0x804a014，实质结果为访问 0x804a014 处存储的数值， 即 数组a[5] 中 *a ==> a[0] ==> 0x01；
   5.*a 当前文件中，意图访问 int* 指针变量指向的地址处空间，a 存储的地址值为 0x01， 就会访问 0x01 地址处的内容，造成段错误。

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a 与 &a 的区别

• a 为首元素的地址
• &a 为整个数组的地址
• a 和 &a的区别在于指针运算
      ○ a + 1 ==> (unsigned int)a + sizeof(*a)
      ○ &a + 1 ==> (unsigned int)(&a) + sizeof(*&a) ==> (unsigned int)(&a) + sizeof(a)

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补充：a和*(&a)等价

#include <stdio.h>

int main()
{ 
   int a[] = {1, 2, 3, 4, 5};
   printf("&a = %p\n", &a);
   printf("a = %p\n", a);
//  printf("*(&a) = %d\n", *&a);//warning: format ‘%d’ expects type ‘int’, but argument 2 has type ‘int *’
   printf("*(&a) = %p\n", *&a);
   printf("*(&a[0]) = %d\n", *&a[0]);
   printf("*a = %d\n", *a);

/**********sizeof(a) (*&a) *a *********/
  printf("sizeof_*(&a) = %d; sizeof_(a) = %d; sizeof_(*a) = %d.\n", sizeof(*&a),sizeof(a),sizeof(*a));

   return 0;
}

结果：
&a = 0xbfcbc6fc
a = 0xbfcbc6fc
*(&a) = 0xbfcbc6fc
*(&a[0]) = 1
*a = 1
sizeof_*(&a) = 20; sizeof_(a) = 20; sizeof_(*a) = 4.

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实例分析： 指针运算经典问题

#include <stdio.h>

int main()
{
    int a[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int* p1 = (int*)(&a + 1);
    int* p2 = (int*)((int)a + 1);
    int* p3 = (int*)(a + 1);
    
    printf("%d, %d, %d\n", p1[-1], p2[0], p3[1]);
    
    return 0;
}

输出：【linux 小端模式】
5, 33554432, 3

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分析：

• p1[-1] :
      ○ p1 = (int*)(&a + 1) ==> p1 = (int*)(&a + sizeof(*&a)) ==> p1 = (int*)(&a + sizeof(a)) ==> p1 = (int*)(&a[0 + 5]) ==> p1 = (int*)(&a[5])
      ○ p1[-1] = a[5 - 1] = a[4] = 5

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• p3[1] :
      ○ p3 = (int*)(a + 1) ==> p3 = (int*)(&a[0 + 1]) ==> (int*)(&a[1])
      ○ p3[1] = a[1 + 1] = a[2] = 3

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• p2[0] :
      ○ p2 = (int*)((int)a + 1);
  
• 如果不懂请看这道题解析。点击即可

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数组参数

• 数组作为函数参数时，编译器将其编译成对应的指针
  void f(int a[]); <--> void f(int* a);
void f(int a[5]); <--> void f(int* a);

结论： 一般情况下，当定义的函数中有数组参数时，需要定义另一个参数来标识数组的大小。

实例分析： 虚幻的数组参数

#include <stdio.h>

void func1(char a[5])
{
    printf("In func1: sizeof(a) = %d\n", sizeof(a));  // 请注意打印输出
    
    *a = 'a';
    
    a = NULL;      // 请注意打印输出
}

void func2(char b[])
{
    printf("In func1: sizeof(b) = %d\n", sizeof(b));  // 请注意打印输出
    
    *b = 'b';
    
    b = NULL;      // 请注意打印输出
}

int main()
{
    char array[10] = {0};
    
    func1(array);
    
    printf("array[0] = %c\n", array[0]);
    
    func2(array);
    
    printf("array[0] = %c\n", array[0]);

    return 0;
}

输出:【编译无警告，无错误】
In func1: sizeof(a) = 4
array[0] = a
In func1: sizeof(b) = 4
array[0] = b

小结

• 数组名和指针仅一定情况下使用方式相同
      ○ 数组名的本质不是指针
      ○ 指针的本质不是数组
• 数组名并不是数组的地址，而是数组首元素的地址
• 函数的数组参数退化为指针
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补充：以上实验在32位机器中运行。

当指针大小占用 8 字节时(64位机器)， 使用 (unsigned int) 强制类型转换将发生数据截断，导致得到不正常的结果。