C语言 内存分配 地址 指针 数组 参数 实例解析

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Android源码看的鸭梨大啊, 补一下C语言基础 ... 

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作者 : 万境绝尘

转载请注明出处 : http://blog.csdn.net/shulianghan/article/details/20472269

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指针简介 : 指针式保存变量地址的变量;

-- 增加阅读难度 : 指针 和 goto 语句会增加程序的理解难度, 容易出现错误;

-- ANSI C : American National Standards Institute 美国国家标准学会, 即标准C;

-- 通用指针类型 : ANSI C中使用 void* 作为通用指针类型, 即指向void的指针, void 是空类型, void* 是空类型指针, 可以指向任意类型的地址;

1. void 与 void* 

(1) void 简介

void 作用 : 

-- 限定参数 : 函数没有返回值, 需要使用 void 声明, 否则默认返回 int 类型;

-- 限定返回值 : 函数不接收参数, 使用 void 作为参数, 如果传入参数, 编译器就会报错;

使用void注意点 : 

-- void不能表示变量 : void a, 这样定义是错误的;

-- 默认返回值 : C 中, 如果没有标明返回值类型, 默认的返回值不是 void, 是 int 类型;

-- void参数 : C 语言中参数是void, 传入参数不会出错, C++中传入参数会出错, 因此这里我们统一规定, 如果函数没有参数, 就定义为void;

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(2) void*简介

void * 作用 : 

-- 通用数据类型 : void * 指针可以存放任意类型数据的地址, 任何数据类型的指针都可以赋值给 void * 通用类型指针;
-- 任意类型 : 如果 函数 的 参数 和 返回值 可以是任意类型, 就可以使用 void * 作为函数的 参数 或者 返回值;

使用void* 注意点 : 

-- void * 与 其它类型互相赋值 : int * 变量可以赋值给 void * 变量, 但是void * 变量如果赋值给 int * 变量需要强转为 int * 类型;

-- void * 不允许进行 算数操作 : 标准C 中规定 void * 类型不允许进行 加减乘除 算数运算, 因为我们不知道这个类型的大小, GUN 中void * 等价于 char * ;

2. C 语言 程序内存分配

(1) 内存分区状况

栈区 (stack) : 

-- 分配, 释放方式 : 由编译器自动分配 和 释放;

-- 存放内容 : 局部变量, 参数;

-- 特点 : 具有 后进先出 特性, 适合用于 保存 回复 现场;

堆区 (heap) : 

-- 分配, 释放方式 : 由程序员手动 分配(malloc) 和 释放(free), 如果程序员没有释放, 那么程序退出的时候, 会自动释放;

-- 存放内容 : 存放程序运行中 动态分配 内存的数据;

-- 特点 : 大小不固定, 可能会动态的 放大 或 缩小;

堆区内存申请 : 

-- 申请过程 : OS中有一个记录空闲内存地址的链表, 如果程序员申请内存, 就会找到空间大于申请内存大小的节点, 将该节点从空间内存链表中删除, 并分配该节点; 

-- 剩余内存处理 : 系统会将多余的部分重新放回 空闲内存链表中;

-- 首地址记录大小 : 分配内存的首地址存放该堆的大小, 这样释放内存的时候才能正确执行; 

全局区/静态区 (数据段 data segment / bss segment) : 

-- 分配, 释放方式 : 编译器分配内存, 程序退出时系统自动释放内存;

-- 存放内容 : 全局变量, 静态变量;

-- 特点 : 全局变量 和 静态变量存储在一个区域, 初始化的两种变量 和 未初始化的 存储在不同区域, 但是两个区域是相邻的;

常量区 : 

-- 分配, 释放方式 : 退出程序由系统自动释放;

-- 存放内容 : 常量;

代码区 (text segment) : 

-- 分配, 释放方式 : 编译器分配内存, 程序退出时系统自动释放内存;

-- 存放内容 : 存放 程序的二进制代码, 和一些特殊常量;

内存存放顺序 (由上到下) : 栈区 -> 堆区 -> 全局区 -> 常量区 -> 代码区;

(2) 内存分配方式

全局内存分配 : 

-- 生命周期 : 编译时分配内存, 程序退出后释放内存, 与 程序 的生命周期相同;

-- 存储内容 : 全局变量, 静态变量;

栈内存分配 :

-- 生命周期 : 函数执行时分配内存, 执行结束后释放内存;

-- 特点 : 该分配运算由处理器处理, 效率高, 但是栈内存控件有限;

堆内存分配 : 

-- 生命周期 : 调用 malloc()开始分配, 调用 free()释放内存, 完全由程序员控制;

-- 谨慎使用 : 如果分配了 没有释放, 会造成内存泄露, 如果频繁 分配 释放 会出现内存碎片; 

(3) register变量

使用场景 : 如果 一个变量使用频率特别高, 可以将这个变量放在 CPU 的寄存器中;

-- 修饰限制 : 只有 局部变量 和 参数 可以被声明为 register变量, 全局 和 静态的不可以;

-- 数量限制 : CPU 寄存器 很宝贵, 不能定义太多register变量;

(4) extern 变量

extern变量概念 : 声明外部变量, 外部变量就是在函数的外部定义的变量, 在本函数中使用;

-- 作用域 : 从外部变量定义的位置开始, 知道本源码结束都可以使用, 但是只能在定义extern后面使用, 前面的代码不能使用;

-- 存放位置 : 外部变量 存放在 全局区;

extern变量作用 : 使用extern修饰外部变量, ① 扩展外部变量在本文件中的作用域, ② 将外部变量作用域从一个文件中扩展到工程中的其它文件;

extern声明外部变量的情况 : 

-- 单个文件内声明 : 如果不定义在文件开头, 其作用范围只能是 定义位置开始, 文件结束位置结束;

-- 多个文件中声明 : 两个文件中用到一个外部变量, 只能定义一次, 编译 和 连接的时候, 如果没有这个外部变量, 系统会知道这个外部变量在别处定义, 将另一个文件中的外部变量扩展到本文件中;

extern编译原则 : 

-- 本文件中能找到 : 编译器遇到 extern 的时候, 现在本文件中找外部变量的定义的位置, 如果找到, 就将作用域扩展到 定义的位置 知道文件结束;

-- 本文件中找不到 : 如果本文件中找不到, 连接其它文件找外部变量定义, 如果找到, 将外部变量作用域扩展到本文件中;

-- 外部文件找不到 : 报错;

使用效果 : extern 使用的时候, 可以不带数据类型;

-- 本文件 : int A = 0; 在第10行, extern A 在第一行, 那么A的作用域就扩展为从第一行到文件末尾;

-- 多文件 : 在任意文件中定义了 int A = 0; 在本文件中声明 extern A, 那么从当前位置到文件末尾都可以使用该变量;

(5) static变量 与 全局变量区别

static 变量 与 全局变量 相同点 : 全局变量是静态存储的, 存储的方式 和 位置基本相同;

static 变量 与 全局变量不用点 : 全局变量的作用域是 整个项目工程 横跨过个文件, 静态变量的作用域是 当前文件, 其它文件中使用是无效的;

变量存储位置 : 全局变量 和 静态变量 存放在 全局区/静态去, 局部变量存放在 栈区(普通变量, 指针变量内容) 和 堆区(指针变量指向的内容);

变量静态化 : 

-- 局部变量 : 局部变量 加上 static , 相当于将局部变量的生命周期扩大到了整个文件, 作用域不改变;

-- 全局变量 : 全局变量 加上 static , 相当于将全局变量的作用域缩小到了单个文件, 生命周期是整个程序的周期;

关于函数头文件的引申 : 

-- 内部函数 : 单个文件中使用的内部函数, 仅在那个特定文件中定义函数即可;

-- 全局函数 : 如果要在整个工程中使用一个全局函数, 需要将这个函数定义在一个头文件中;

static变量与普通变量区别 : 

-- static全局变量 与 全局变量区别 : static 全局变量 只初始化一次, 防止在其它文件中使用;

-- static局部变量 与 局部变量区别 : static 局部变量 只初始化一次, 下一次依据上一次结果;

static函数与普通函数区别 : static 函数在内存中只保留一份, 普通函数 每调用一次, 就创建一个副本;

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(6) 堆 和 栈比较

堆(heap)和栈(stack)区别 : 

-- 申请方式 : stack 由系统自动分配, heap 由程序员进行分配;

-- 申请响应 : 如果 stack 没有足够的剩余空间, 就会溢出; 堆内存从链表中找空闲内存;

-- 内存限制 : stack 内存是连续的, 从高位向低位扩展, 而且很小, 只有几M, 是事先定好的, 在文件中配置; heap 是不连续的, 从低位向高位扩展, 系统是由链表控制空闲程序, 链表从低地址到高地址, 堆大小受虚拟内存限制, 一般32位机器有4G heap;

-- 申请效率 : stack 由系统分配, 效率高; heap 由程序员分配, 速度慢, 容易产生碎片;

(7) 各区分布情况

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按照下图分布 : 由上到下顺序 : 栈区(stack) -> 堆区(heap) -> 全局区 -> 字符常量区 -> 代码区;

验证分区状况 : 

-- 示例程序 : 

/*************************************************************************
    > File Name: memory.c
    > Author: octopus
    > Mail: octopus_work.163.com 
    > Created Time: Mon 10 Mar 2014 08:34:12 PM CST
 ************************************************************************/

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

int global1 = 0, global2 = 0, global3 = 0;

void function(void)
{
        int local4 = 0, local5 = 0, local6 = 0;
        static int static4 = 0, static5 = 0, static6 = 0;
        int *p2 = (int*)malloc(sizeof(int));

        printf("子函数 局部变量 : \n");
        printf("local4 : %p \n", &local4);
        printf("local5 : %p \n", &local5);
        printf("local6 : %p \n", &local6);

        printf("子函数 指针变量 : \n");
        printf("p2 : %p \n", p2);

        printf("全局变量 : \n");
        printf("global1 : %p \n", &global1);
        printf("global2 : %p \n", &global2);
        printf("global3 : %p \n", &global3);

        printf("子函数 静态变量 : \n");
        printf("static4 : %p \n", &static4);
        printf("static5 : %p \n", &static5);
        printf("static6 : %p \n", &static6);

        printf("子函数地址 : \n");
        printf("function : %p \n", function);
}

int main(int argc, char **argv)
{
        int local1 = 0, local2 = 0, local3 = 0;
        static int static1 = 0, static2 = 0, static3 = 0;
        int *p1 = (int*)malloc(sizeof(int));
        const int const1 = 0;
        char *char_p = "char";

        printf("主函数 局部变量 : \n");
        printf("local1 : %p \n", &local1);
        printf("local2 : %p \n", &local2);
        printf("local3 : %p \n", &local3);
        printf("const1 : %p \n", &const1);

        printf("主函数 指针变量 : \n");
        printf("p1 : %p \n", p1);

        printf("全局变量 : \n");
        printf("global1 : %p \n", &global1);
        printf("global2 : %p \n", &global2);
        printf("global3 : %p \n", &global3);

        printf("主函数 静态变量 : \n");
        printf("static1 : %p \n", &static1);
        printf("static2 : %p \n", &static2);
        printf("static3 : %p \n", &static3);

        printf("字符串常量 : \n");
        printf("char_p : %p \n", char_p);

        printf("主函数地址 : \n");
        printf("main : %p \n", main);


        printf("= = = = = = = = = = = = = = = \n");

        function();

        return 0;
}

-- 执行结果 : 

[root@ip28 pointer]# gcc memory.c 
[root@ip28 pointer]# ./a.out 
主函数 局部变量 : 
local1 : 0x7fff75f5eedc 
local2 : 0x7fff75f5eed8 
local3 : 0x7fff75f5eed4 
const1 : 0x7fff75f5eed0 
主函数 指针变量 : 
p1 : 0x19bad010 
全局变量 : 
global1 : 0x600e14 
global2 : 0x600e18 
global3 : 0x600e1c 
主函数 静态变量 : 
static1 : 0x600e34 
static2 : 0x600e30 
static3 : 0x600e2c 
字符串常量 : 
char_p : 0x4009f7 
主函数地址 : 
main : 0x40065f 
= = = = = = = = = = = = = = = 
子函数 局部变量 : 
local4 : 0x7fff75f5eea4 
local5 : 0x7fff75f5eea0 
local6 : 0x7fff75f5ee9c 
子函数 指针变量 : 
p2 : 0x19bad030 
全局变量 : 
global1 : 0x600e14 
global2 : 0x600e18 
global3 : 0x600e1c 
子函数 静态变量 : 
static4 : 0x600e28 
static5 : 0x600e24 
static6 : 0x600e20 
子函数地址 : 
function : 0x400528 

3. 指针与地址

(1) & 与 * 操作

取地址运算符 & : p = &c;

-- 表达式解析 : 将 c 的地址赋值给 变量 p, p 是指向 c 变量的指针;

-- & 可以使用的情况 : 取地址操作 只能用于内存中的对象, 如变量 或 数组, 栈内存 堆内存 都可以;

-- & 不适用的情况 : 不能用于 表达式, 常量, register类型变量; 

间接引用运算符 : * ;

-- 声明指针 : int *p ; 该表达式的含义是 *p 的结果是 int 类型, 声明变量 a, int a, 声明指针 *p , int *p;

-- 获取指针指向的值 : int a = *p ;

(2) 指针定义解析

声明指针 和 函数 : int *p, max(int a, int b), 声明指针变量 语法 与声明 变量语法类似, 同理声明函数也一样;

-- 原理 : *p 和 max()返回值 类型都是 int 类型;

指针指向 : 每个指针都必须指向某种特定类型;

-- 例外 : void *p 可以指向任何类型, 但是 p 不能进行取值运算, *p 是错误的, 因为不知道 p 指向的数据类型;

(3) 指针运算及示例

指针相关运算 : int x = 0; int *p = &x; 那么*p 就可以代表x;

-- 算数运算 : x = x + 1; 等价于 *p = *p + 1 ; int y = x + 1; 等价于 int y = *p + 1;

-- 自增运算 : 前提 : ++, * 运算顺序是自右向左;  ++*p 和 (*p)++, p 指向的值自增1, 注意要加上括号, 否则会将地址自增;

-- 指针赋值 : int *p, *q; int a = 0; p = &a; q = p; 最终结果 p 和 q 都指向了 变量 a;

示例程序 : 

/*************************************************************************
    > File Name: pointer_address.c
    > Author: octopus
    > Mail: octopus_work.163.com 
    > Created Time: Mon 10 Mar 2014 09:52:01 PM CST
 ************************************************************************/

#include<stdio.h>

int main(int argc, char ** argv)
{
        int *p, *q;
        int a = 10, b;

        //p指针指向a变量
        p = &a;

        //*p 可以代替 a 进行运算
        ++*p;

        b = *p + 5;

        //指针之间可以直接相互赋值
        q = p;

        //打印 p 和 q 指针指向的值
        printf("*p = %d \n", *p);
        printf("*q = %d \n", *q);


        return 0;
}

执行结果 :

[root@ip28 pointer]# gcc pointer_address.c 
[root@ip28 pointer]# ./a.out 
*p = 11 
*q = 11 

4. 函数参数的传值调用和传址调用

(1) 传值调用 和 传址调用

传值调用 : 以传值的方式将参数传递给函数, 不能直接修改主函数中变量的值, 仅仅是将副本传递给了函数;

传址调用 : 将 变量的指针 传递给函数, 当函数对指针进行操作的时候, 主函数中的值也进行了对应变化;

交换函数示例1 : 

/*************************************************************************
    > File Name: swap.c
    > Author: octopus
    > Mail: octopus_work.163.com 
    > Created Time: Mon 10 Mar 2014 11:07:18 PM CST
 ************************************************************************/

#include<stdio.h>

void swap_1(int a, int b)
{
        int temp;
        temp = a;
        a = b;
        b = temp;

        printf("swap_1 传值 函数 a = %d, b = %d \n", a, b);
}

void swap_2(int *a, int *b)
{
        int temp;
        temp = *a;
        *a = *b;
        *b = temp;

        printf("swap_2 传址 函数 a = %d, b = %d\n", *a, *b);
}

int main(int argc, char **argv)
{
        int a = 10, b = 5;

        printf("初始值 : a = %d, b = %d \n\n", a, b);

        swap_1(a, b);
        printf("执行 swap_1 函数, a = %d, b = %d \n\n", a, b);

        swap_2(&a, &b);
        printf("执行 swap_2 函数, a = %d, b = %d \n", a, b);


        return 0;
}

执行结果 : 

[root@ip28 pointer]# gcc swap.c 
[root@ip28 pointer]# ./a.out 
初始值 : a = 10, b = 5 

swap_1 传值 函数 a = 5, b = 10 
执行 swap_1 函数, a = 10, b = 5 

swap_2 传址 函数 a = 5, b = 10
执行 swap_2 函数, a = 5, b = 10 

示例解析 : 

-- 传值调用 : swap_1 是传值调用, 传入的是 main 函数中的 a b 两个变量的副本, 因此函数执行完毕后, 主函数中的值是不变的;

-- 传址调用 : swap_2 是传址调用, 传入的是 a , b 两个变量的地址 &a, &b, 当在swap_2 中进行修改的时候, 主函数中的 a,b变量也会发生改变;

(2) 高级示例

需求分析 : 调用getint()函数, 将输入的数字字符 转为一个整形数据;

getch 和 ungetch 函数 : 

-- 使用场景 : 当进行输入的时候, 不能确定是否已经输入足够的字符, 需要读取下一个字符, 进行判断, 如果多读取了一个字符, 就需要将这个字符退回去;

-- 使用效果 : getch() 和 ungetch() 分别是预读下一个字符, 和 将预读的字符退回去, 这样对于其它代码而言, 没有任何影响;

注意的问题 : 出现问题, 暂时编译不通过, 找个C语言大神解决;

代码 : 

/*************************************************************************
    > File Name: getint.c
    > Author: octopus
    > Mail: octopus_work.163.com 
    > Created Time: Mon 10 Mar 2014 11:40:19 PM CST
 ************************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <ctype.h>
#define SIZE 5

int getint(int *p)
{
	//sign 是用来控制数字的正负
	int c, sign;

	//跳过空白字符, 如果是空白字符, 就会进行下一次循环, 直到不是空白字符为止

	while(isspace(c = getc(stdin)));

	//如果输入的字符不是数字, 就将预读的数据退回到标准输入流中
	if(!isdigit(c) && c != EOF && c != '+' && c != '-')
	{
		ungetc(c, stdin);
		return 0;
	}

	/*
	 * 如果预读的是减号, 那么sign 标识就是 -1, 
	 * 如果预读的是加号, 那么sign 标识就是 1;
	 */
	sign = (c == '-') ? -1 : 1;
	//如果 c 是 加号 或者 减号, 再预读一个字符&
	if(c == '+' || c == '-')
		c = getc(stdin);

	for(*p = 0; isdigit(c); c = getc(stdin))
		*p = 10 * *p + (c - '0');

	*p *= sign;

	if(c != EOF)
		ungetc(c, stdin);

	return c;
	
}

int main(int argc, char **argv)
{
	int n, array[SIZE], i; 
	for(n = 0; n < SIZE && getint(&array[n]) != EOF; n++);

	for(i = 0; i < SIZE; i++)
	{
		printf("array[%d] = %d \n", i, array[i]);
	}
	return 0;
}

执行结果 : 

octopus@octopus-Vostro-270s:~/code/c/pointer$ ./a.out 
123
123 43
674 1
array[0] = 123 
array[1] = 123 
array[2] = 43 
array[3] = 674 
array[4] = 1 

5. 指针 和 数组

指针数组比较 : 

-- 可互相替代 : 数组下标执行的操作都可以使用指针替代;

-- 效率比较 : 使用指针操作效率比数组要高;

指针 与 数组初始化 : 

-- 声明数组 : int a[10]; 定义一个长度为10 的int数组;

-- 声明指针 : int *p; 定义一个指针, 该指针指向整型;

-- 相互赋值 : p = &a[0], 将数组第一个元素的地址赋值给指针变量;

-- 使用指针获取数组对象 : *p 等价于 a[0], *(p + 1) 等价于 a[1], *(p + i)等价于 a[i];

-- 注意地址的运算 : p + i , 在地址运算上, 每次增加 sizeof(int) * i 个字节;

将数组赋值给指针的途径 : 

-- 将数组第一个元素地址赋值给指针变量 : p = &a[0];

-- 将数组地址赋值给指针变量 : p = a;

指针 和 数组 访问方式互换 : 前提 int *p, a[10]; p = a;

-- 数组计算方式 : 计算a[i]的时候, 先将数组转化为 *(a + i)指针, 然后计算该指针值;

-- 取值等价 : a[i] 等价于 *(p + i);

-- 地址等价 : &a[i] 与 a + i 是等价的;

-- 指针下标访问 : p[i] 等价于 *(p + i);

-- 结论 : 通过数组和下标 实现的操作 都可以使用 指针和偏移量进行等价替换;

指针 和 数组 的不同点 : 

-- 指针是变量 : int *p, a[10]; p = a 和 p++ 没有错误;

-- 数组名不是变量 : int *p, a[10]; a = p 和 a++ 会报错;

数组参数 : 

-- 形参指针 : 将数组传作为参数传递给函数的时候, 传递的是数组的首地址, 传递地址, 形参是指针;

数组参数示例 : 

-- 函数参数是数组 : 函数传入一个字符串数组参数, 返回这个字符串长度;

/*************************************************************************
    > File Name: array_param.c
    > Author: octopus
    > Mail: octopus_work.163.com 
    > Created Time: Sat 15 Mar 2014 12:46:57 AM CST
 ************************************************************************/

#include<stdio.h>

//计算字符串长度
int strlen(char *s)
{
        int n;
        for(n = 0; *s != '\0'; s++)
                n++;
        return n;
}

int main(int argc, char** argv)
{
        printf("strlen(djdhaj) = %d \n", strlen("djdhaj"));
        printf("strlen(12) = %d \n", strlen("12"));
        printf("strlen(dfe) = %d \n", strlen("dfe"));
}

-- 执行结果 : warning: conflicting types for built-in function ‘strlen’, 原因是 C语言中已经有了 strlen 函数了, 如果改一个函数名, 就不会有这个警告了;

[root@ip28 pointer]# gcc array_param.c 
array_param.c:12: warning: conflicting types for built-in function ‘strlen’
[root@ip28 pointer]# ./a.out           
strlen(djdhaj) = 6 
strlen(12) = 2 
strlen(dfe) = 3 

数组和指针参数 : 将数组名传给参数, 函数根据情况判断是作为数组还是作为指针;

-- 实参 : 指针偏移量 和 数组下标 都可以作为 数组或指针函数形参, 如 数组情况fun(&array[2]) 或者 指针情况fun(p + 2);

-- 形参 : 函数的形参可以声明为 fun(int array[]), 或者 fun(int *array), 如果传入的是数组的第二个元素的地址, 可以使用array[-2]来获数组取第一个元素;

数组指针参数示例 : 

/*************************************************************************
    > File Name: param_array_pointer.c
    > Author: octopus
    > Mail: octopus_work.163.com 
    > Created Time: Sat 15 Mar 2014 01:28:33 AM CST
 ************************************************************************/

#include<stdio.h>

//使用指针做形参 取指针的前两位 和 当前位
void fun_p(int *p)
{
        printf("*(p - 2) = %d \n", *(p - 2));
        printf("*p = %d \n", *p);
}

//使用数组做形参 取数组的 第-2个元素 和 第0个元素
void fun_a(int p[])
{
        printf("p[-2] = %d \n", p[-2]);
        printf("p[0] = %d \n", p[0]);
}

int main(int argc, char **argv)
{
        int array[] = {1,2,3,4,5};
        //向指针参数函数中传入指针
        printf("fun_p(array + 2) : \n");
        fun_p(array + 2);

        //向数组参数函数中传入数组元素地址
        printf("fun_a(&array[2]) : \n");
        fun_a(&array[2]);

        //向指针参数函数中传入数组元素地址
        printf("fun_p(&array[2]) : \n");
        fun_p(&array[2]);

        //向数组参数函数中传入指针
        printf("fun_a(array + 2) : \n");
        fun_a(array + 2);
        return 0;
}

执行效果 : 

[root@ip28 pointer]# gcc param_array_pointer.c 
[root@ip28 pointer]# ./a.out 
fun_p(array + 2) : 
*(p - 2) = 1 
*p = 3 
fun_a(&array[2]) : 
p[-2] = 1 
p[0] = 3 
fun_p(&array[2]) : 
*(p - 2) = 1 
*p = 3 
fun_a(array + 2) : 
p[-2] = 1 
p[0] = 3 

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作者 : 万境绝尘

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