19. C语言 -- 指针和二维数组

本博客主要内容为 “小甲鱼” 视频课程《带你学C带你飞》【第一季】 学习笔记，文章的主题内容均来自该课程，在这里仅作学习交流。在文章中可能出现一些错误或者不准确的地方，如发现请积极指出，十分感谢。
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1. 二维数组

  回顾 《15. C语言 – 二维数组》 中的内容可以知道，C 语言没有真正意义上的二维数组。二维数组的实现，只是简单地通过“线性扩展”的方式进行。如图所示，int b[4][5]; 就是定义 4 个元素，每个元素都是一个包含 5 个整型变量的一维数组。它在内存中依然是以线性的形式存储。

2. 关于数组的三个问题

  假设我们定义了二维数组array[4][5]，为了方便理解，使用如下的形式进行表述

2.1 array 表示的是什么？

  显然同一维数组一样， array 是整个二维数组的首地址；在一维数组中，数组名是数组中第一个元素的地址，但是在二维数组中，数组名是第一行元素的地址。其实这个也很好理解，可以将整个二维数组当作是一个一维数组，那么一维数组中的每一个元素就是 array 中的一行。下面将通过代码的形式进行验证

#include 

int main()
{
	int array[4][5] = {0};

	printf("sizeof int: %d\n", sizeof(int));
	printf("array: %p\n", array);
	printf("array + 1: %p\n", array + 1);

	return 0;
}

我们初始化了一个全为 0 的数组，首先打印出了整型在内存中的大小，之后打印出 array 的地址，和 array 的下一个位置的地址。如果 array 指向的是数组中的第一行，那么 array 将指向数组中的第二行，array 与 array 之间差就是 5*sizeof(int)，也就是指针 array 的步长为 5 。执行上述代码可以得到如下的结果

sizeof int: 4
array: 0x7ffcebf6e700
array + 1: 0x7ffcebf6e714

  整型在内存中的大小为 4 ，而 array + 1 与 array 的差正好是 20。所以很明显，array 确实是数组中第一行元素的指针。

2.2 *(array+1)表示的是什么？

  *(array+1) 称为 (array+1) 的解引用，也就是之前所讲的取值。我们可以从两个角度对他进行理解。首先从解引用的角度，从上面你得分析可以知道，array 是数组中第一行元素的指针，也就是说 array 的地址是数组的首地址，步长是数组中每一行元素的个数。因此 array + 1 所表示的数组的第二行的指针，对它进行解引用，实际上就是对 array +1所在的地址取值，很显然就是数组中第二行的第一个元素。

  但是一个更好的角度是从语法糖的角度进行考虑。语法糖（Syntactic sugar）是由 Peter J. Landin（和图灵一样的天才人物，是他最先发现了 Lambda 演算，由此而创立了函数式编程）创造的一个词语，它意指那些没有给计算机语言添加新功能，而只是对人类来说更“甜蜜”的语法。语法糖往往给程序员提供了更实用的编码方式，有益于更好的编码风格，更易读。不过其并没有给语言添加什么新东西。

  在 C 语言里用 a[n] 表示 *(a+n)，用 a[n][m] 表示 *(*(a+n)+m)，这就是语法糖的应用，因为在内部，编译器会自动将 a[n] 转换为 *(a+n) 的形式实现。同样我们之前学习过的 for 循环也是 while 循环的一种语法糖。

  因此 *(array+1) == array[1] ，而 array[1] 又可以看作是二维数组中第二行元素所组成的子数组的名字，也就是数组中第二行第一个元素的地址。我们可以通过实验的方式的进行验证

#include 

int main()
{
	int array[4][5] = {0};
	int i, j, k = 0;

	for (i = 0; i < 4; i++){
		for (j = 0; j < 5; j++){
			array[i][j] = k++;
		}
	}

	printf("*(array+1): %p\n", *(array + 1));
	printf("array[1]: %p\n", array[1]);
	printf("&array[1][0]: %p\n", &array[1][0]);
	printf("**(array+1): %d\n", **(array+1));

	return 0;
}

在上面的代码中，首先初始化了一个数组，数组中的元素是各不相同的，之后打印输出 *(array+1) 以及对应的语法糖 array[1]，然后打印出数组中 array[1][0] 的地址，最后打印出对 array+1 的双重解引用，如果 *(array+1) 是 array[1]（即数组中第二行中第一个元素的地址），那么 **(array+1) 将表示第二行第一元素的值。执行代码的到如下的结果

*(array+1): 0x7ffe4640fe84
array[1]: 0x7ffe4640fe84
&array[1][0]: 0x7ffe4640fe84
**(array+1): 5

可以看到 array[1] 确实是 *(array+1) 的语法糖，并且指向数组中第二行第一个元素的地址。

2.3 * (*(array+1)+3)表示什么？

  根据刚刚所讲的语法糖，*(array+1)+3 可以表示为下面的形式

由于 *(array+1) 是第二行第一个元素的地址，所以 *(array+1)+3 是第二行第四个元素的地址，那么很明显 * ( *(array+1)+3) 表示第二行第四个元素的值。

  这样我们就得到了一个结论，在 C 原的数组中，下标索引的形式都可以转化为使用指针间接索引的形式，并且他们之间是完全等价的，如下图所示

3. 数组指针和二维数组

  在之前《15. C语言 – 二维数组》 中的第二部分，二维数组的初始化中讲到数组可以使用如下的方式进行定义

int array[2][3] = {{0, 1, 2}, {3, 4, 5}}; 
// 可以写成 
int array[][3] = {{0, 1, 2}, {3, 4, 5}};

  在之前的《18. C语言 – 指针数组和数组指针》 中的第3部分 数组指针 可以知道，定义一个数组指针是这样的

int (*p)[3];

那么问题来了，请问如何解释下边语句

int (*p)[2] = array;

很明显，根据刚刚所讲的内容，array 是数组第一行元素的指针，所以 p 是指向一个有两个元素数组的指针，数组中的每个元素是 array 数组中的一行。

  我们可以通过下面的代码进行验证

#include 

int main()
{
	int array[2][3] = {{0, 1, 2}, {3, 4, 5}};
	int (*p)[3] = array;

	printf("**(p+1): %d\n", **(p+1));
	printf("**(array+1): %d\n", **(array+1));
	printf("array[1][0]: %d\n", array[1][0]);
	printf("*(*(p+1)+2): %d\n", *(*(p+1)+2));
	printf("*(*(array+1)+2): %d\n", *(*(array+1)+2));
	printf("array[1][2]: %d\n", array[1][2]);

	return 0;
}

如果 p 是指向一个有两个元素数组的指针（数组中的每个元素是 array 数组中的一行），那么 **(p+1) 将表示数组中第二行第一个元素的值，根据语法糖可知 **(array+1) 表示的也是数组中第二行第一个元素的值。执行上面的代码可以获得如下的实验结果

**(p+1): 3
**(array+1): 3
array[1][0]: 3
*(*(p+1)+2): 5
*(*(array+1)+2): 5
array[1][2]: 5

很明显刚刚的解释是正确的。

参考

[1] “小甲鱼” 视频课程《带你学C带你飞》【第一季】P24

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