【C语言 | 指针】指针和数组关系——剪不断，理还乱

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本文内容：介绍C语言指针和数组的关系
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一、指针和数组有什么关系

指针和数组有什么关系呢？

C语言中，并没有明确规定指针和数组的关系，也就是说，指针和数组实际上并没有什么关系，只是它们的很多用法很相似，才令很多初学者感到困惑。

定义一个指针变量后，系统会分配一块内存(32位系统是4个字节，64位系统是8个字节)。然后不管这块内存在之后放了什么内容，编译器都会把他当成一个内存地址来处理。指针可以指向任何地方，但是不是任何地方你都能通过这个指针变量访问到。

数组的本质是一块连续内存区域，里面分成若干个相同大小的内存区域，这些小的内存块就是数组元素。数组的大小与元素的类型和个数有关。定义数组时必须指定其元素的类型和个数。数组可以存任何类型的数据，但不能存函数(但可以存函数指针)。

二、指针和数组名

数组名就是让初学者混淆指针和数组的一个重要原因。

上篇文章 提到，数组的数组名其实可以看作一个指向数组首个元素的指针。既然是指针，我们就清楚它关于指针的4个方面内容：指针所在的地址、指针的值、指针的类型、指针所指向的类型。

• 数组名作为指针所在的地址：数组名本身的地址由编译器另外存储，存储在哪里，我们并不知道；
• 数组名作为指针的值：是数组首个元素的地址，可以通过 printf 打印出来，会等于&a[0]；
• 数组名作为指针的类型：数组元素类型*；
• 数组名作为指针所指向的类型：数组元素类型。

下面看例子2.1，看看是怎样混淆的：

// array_name.c
#include 
int main()
{
	int arr[5] = {1,2,3,4,5};
	int *pa = arr; // pa指针指向 arr数组首个元素
	printf("num1=%d num2=%d unm3=%d\n", *arr, *(arr+1), arr[2]);
	printf("num1=%d num2=%d unm3=%d\n", *pa , *(pa+1) , pa[2]);
	pa++;
	//arr++;  // 保存，数组名的值不能修改
}

pa指针指向 arr数组首个元素之后，下面使用了完全相同的用法，不去看定义的话，都分不清谁是指针，谁是数组。

那有哪些区别吗？数组名是常量指针，它不能作为左值使用，它的值无法被修改，所以不能使用arr++。

三、指针和数组访问方式

✨3.1 以指针的形式访问

指针的形式访问内存，就是指利用指针加减运算来访问内存空间。

指针和数组都可以用指针的形式来访问内存空间，但不同的是，指针访问的是指针值所指向的内存空间，而数组访问的是自己的内存空间。

看例子3.1.1:

// array_access.c 
#include 
#include 
int main()
{
	int arr[5];	// 定义一个数组
	int *pa = (int*)malloc(5*sizeof(int));// 定义一个指针指向malloc分配的内存
	
	// 数组的指针形式访问：
	int i=0;
	for(i=0; i<sizeof(arr)/sizeof(*arr); i++)
	{
		*(arr+i) = i;
		printf("*(arr+%d)=%d, ",i,*(arr+i));
	}
	printf("\n\n");
	
	// 指针以指针形式访问：
	for(i=0; i<5; i++)
	{
		*(pa+i) = i;
		printf("*(pa+%d)=%d, ",i,*(pa+i));
	}
	printf("\n");
	free(pa);
	return 0;
}

例子中，数组arr利用数组名是数组首元素地址的特性，使用指针运算完成了对数组内容的修改和读取。
指针pa定义时指向了malloc函数分配的内存，内存大小5*sizeof(int)，然后使用使用指针运算完成了对该段内存空间的读写。

✨3.2 以下标的形式访问

我们初学C语言时，就知道数组允许以下标的形式来表示数组元素，arr[0]表示首个数组元素，arr[0]表示第二个数组元素，其他依此类推。但有点惊讶的是，指针也可以使用下标的形式访问内存空间。

看例子3.2.1：

// array_access2.c 
#include 
#include 
int main()
{
	int arr[5];	// 定义一个数组
	int *pa = (int*)malloc(5*sizeof(int));// 定义一个指针指向malloc分配的内存
	
	// 数组以下标形式访问：
	int i=0;
	for(i=0; i<sizeof(arr)/sizeof(*arr); i++)
	{
		arr[i] = i;
		printf("arr[%d]=%d, ",i,arr[i]);
	}
	printf("\n\n");
	
	// 指针以下标形式访问：
	for(i=0; i<5; i++)
	{
		pa[i] = i;
		printf("pa[%d]=%d, ",i,pa[i]);
	}
	printf("\n");
	free(pa);
	return 0;
}

实际上，编译器总是把以下标的形式的操作解析为以指针的形式的操作。
pa[i]这个操作会被解析成：先取出 pa 里存储的地址值，然后加上中括号中 i 个元素的偏移量，计算出新的地址，然后从新的地址中取出值。也就是说以下标的形式访问在本质上与以指针的形式访问没有区别，只是写法上不同罢了。

四、指针和数组的定义和声明

首先，复习一下，定义会分配内存的，而声明没有。定义只能出现一次，而声明可以出现多次。

前面说过，数组名可以看出数组首元素的地址，那么，在文件1定义数组char a[100];，在文件2声明为指针extern char *a;，这样的做法可以吗？
答案是不行的，因为数组和指针有着本质的区别，这里定义数组时分配了一块100个字节内存，并命名为a；而声明为 extern char *a 时，编译器理所当然的认为 a 是一个指针变量，在 32 位系统下，占 4 个 byte。这 4 个 byte 里保存了一个地址，这个地址上存的是字符类型数据。
总结：定义为数组，不能将该数组名声明为指针，但可以在声明数组时，去掉第一维的数组长度，因为声明不分配内存，只要求类型匹配。

定义为指针，声明为数组也是错误的。因为类型不匹配。

看例子4.1：

// array_extern1.c
char a[100];
char *p = "abcdefg";
int ai[10][100];

// array_extern2.c
#include 
//extern char *a; // 错误
extern char a[];

// extern char p[]; // 错误
extern char *p;

// extern int ai[][]; //error: array type has incomplete element type(数组类型具有不完整的元素类型)
extern int ai[][100];
int main()
{
	printf("%p %p %p\n",a, p, ai);
	return 0;
}

五、指针数组 和 数组指针

指针数组：首先它是一个数组，数组的元素都是指针，数组占多少个字节由数组本身决定。它是储存指针的数组的简称。

数组指针：首先它是一个指针，它指向一个数组。在 32 位系统下永远是占 4 个字节，至于它指向的数组占多少字节，不知道。它是指向数组的指针的简称。

定义一个指针数组p1，根据右左法则，p1先跟[]结合，是个数组，然后再跟*结合，说明数组每个元素都是指针：

int *p1[10];

p1的内存布局如下：

定义一个数组指针p2，*p2 被括号括起来，改变优先级，p2先与*结合，说明p2是个指针，然后再和[]结合，说明p2指向一个数组，数组元素是int类型的，有10个数组元素。

int (*p2)[10];

p2的内存布局如下：

六、总结

本文介绍指针和数组的联系和区别：指针和数组名、指针和数组访问方式、指针和数组的定义和声明、指针数组和数组指针。

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