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C语言数组指针(指向数组的指针)详解

数组(Array)是一系列具有相同类型的数据的集合,每一份数据叫做一个数组元素(Element)。数组中的所有元素在内存中是连续排列的,整个数组占用的是一块内存。以int arr[] = { 99, 15, 100, 888, 252 };为例,该数组在内存中的分布如下图所示:
定义数组时,要给出数组名和数组长度,数组名可以认为是一个指针,它指向数组的第 0 个元素。C语言中,我们将第 0 个元素的地址称为数组的首地址。以上面的数组为例,下图是 arr 的指向:
数组名的本意是表示整个数组,也就是表示多份数据的集合,但在使用过程中经常会转换为指向数组第 0 个元素的指针,所以上面使用了“认为”一词,表示数组名和数组首地址并不总是等价。初学者可以暂时忽略这个细节,把数组名当做指向第 0 个元素的指针使用即可,我们将在VIP教程《数组和指针绝不等价,数组是另外一种类型》和《数组到底在什么时候会转换为指针》中再深入讨论这一细节。
下面的例子演示了如何以指针的方式遍历数组元素:
#include <stdio.h>

int main(){
    int arr[] = { 99, 15, 100, 888, 252 };
    int len = sizeof(arr) / sizeof(int);  //求数组长度
    int i;
    for(i=0; i<len; i++){
        printf("%d  ", *(arr+i) );  //*(arr+i)等价于arr[i]
    }
    printf("\n");
    return 0;
}
运行结果:
99  15  100  888  252

第 5 行代码用来求数组的长度,sizeof(arr) 会获得整个数组所占用的字节数,sizeof(int) 会获得一个数组元素所占用的字节数,它们相除的结果就是数组包含的元素个数,也即数组长度。

第 8 行代码中我们使用了*(arr+i)这个表达式,arr 是数组名,指向数组的第 0 个元素,表示数组首地址, arr+i 指向数组的第 i 个元素,*(arr+i) 表示取第 i 个元素的数据,它等价于 arr[i]。
arr 是int*类型的指针,每次加 1 时它自身的值会增加 sizeof(int),加 i 时自身的值会增加 sizeof(int) * i,这在《C语言指针变量的运算》中已经进行了详细讲解。
我们也可以定义一个指向数组的指针,例如:
int arr[] = { 99, 15, 100, 888, 252 };
int *p = arr;
arr 本身就是一个指针,可以直接赋值给指针变量 p。arr 是数组第 0 个元素的地址,所以int *p = arr;也可以写作int *p = &arr[0];。也就是说,arr、p、&arr[0] 这三种写法都是等价的,它们都指向数组第 0 个元素,或者说指向数组的开头。
再强调一遍,“arr 本身就是一个指针”这种表述并不准确,严格来说应该是“arr 被转换成了一个指针”。这里请大家先忽略这个细节,我们将在VIP教程《数组和指针绝不等价,数组是另外一种类型》和《数组到底在什么时候会转换为指针》中深入讨论。
如果一个指针指向了数组,我们就称它为数组指针(Array Pointer)

数组指针指向的是数组中的一个具体元素,而不是整个数组,所以数组指针的类型和数组元素的类型有关,上面的例子中,p 指向的数组元素是 int 类型,所以 p 的类型必须也是int *

反过来想,p 并不知道它指向的是一个数组,p 只知道它指向的是一个整数,究竟如何使用 p 取决于程序员的编码。

更改上面的代码,使用数组指针来遍历数组元素:
#include <stdio.h>

int main(){
    int arr[] = { 99, 15, 100, 888, 252 };
    int i, *p = arr, len = sizeof(arr) / sizeof(int);

    for(i=0; i<len; i++){
        printf("%d  ", *(p+i) );
    }
    printf("\n");
    return 0;
}
数组在内存中只是数组元素的简单排列,没有开始和结束标志,在求数组的长度时不能使用sizeof(p) / sizeof(int),因为 p 只是一个指向 int 类型的指针,编译器并不知道它指向的到底是一个整数还是一系列整数(数组),所以 sizeof(p) 求得的是 p 这个指针变量本身所占用的字节数,而不是整个数组占用的字节数。

也就是说,根据数组指针不能逆推出整个数组元素的个数,以及数组从哪里开始、到哪里结束等信息。不像字符串,数组本身也没有特定的结束标志,如果不知道数组的长度,那么就无法遍历整个数组。

上节我们讲到,对指针变量进行加法和减法运算时,是根据数据类型的长度来计算的。如果一个指针变量 p 指向了数组的开头,那么 p+i 就指向数组的第 i 个元素;如果 p 指向了数组的第 n 个元素,那么 p+i 就是指向第 n+i 个元素;而不管 p 指向了数组的第几个元素,p+1 总是指向下一个元素,p-1 也总是指向上一个元素。

更改上面的代码,让 p 指向数组中的第二个元素:
#include <stdio.h>

int main(){
    int arr[] = { 99, 15, 100, 888, 252 };
    int *p = &arr[2];  //也可以写作 int *p = arr + 2;

    printf("%d, %d, %d, %d, %d\n", *(p-2), *(p-1), *p, *(p+1), *(p+2) );
    return 0;
}
运行结果:
99, 15, 100, 888, 252

引入数组指针后,我们就有两种方案来访问数组元素了,一种是使用下标,另外一种是使用指针。

1) 使用下标

也就是采用 arr[i] 的形式访问数组元素。如果 p 是指向数组 arr 的指针,那么也可以使用 p[i] 来访问数组元素,它等价于 arr[i]。

2) 使用指针

也就是使用 *(p+i) 的形式访问数组元素。另外数组名本身也是指针,也可以使用 *(arr+i) 来访问数组元素,它等价于 *(p+i)。

不管是数组名还是数组指针,都可以使用上面的两种方式来访问数组元素。不同的是,数组名是常量,它的值不能改变,而数组指针是变量(除非特别指明它是常量),它的值可以任意改变。也就是说,数组名只能指向数组的开头,而数组指针可以先指向数组开头,再指向其他元素。

更改上面的代码,借助自增运算符来遍历数组元素:
#include <stdio.h>

int main(){
    int arr[] = { 99, 15, 100, 888, 252 };
    int i, *p = arr, len = sizeof(arr) / sizeof(int);

    for(i=0; i<len; i++){
        printf("%d  ", *p++ );
    }
    printf("\n");
    return 0;
}
运行结果:
99  15  100  888  252

第 8 行代码中,*p++ 应该理解为 *(p++),每次循环都会改变 p 的值(p++ 使得 p 自身的值增加),以使 p 指向下一个数组元素。该语句不能写为 *arr++,因为 arr 是常量,而 arr++ 会改变它的值,这显然是错误的。

关于数组指针的谜题

假设 p 是指向数组 arr 中第 n 个元素的指针,那么 *p++、*++p、(*p)++ 分别是什么意思呢?

*p++ 等价于 *(p++),表示先取得第 n 个元素的值,再将 p 指向下一个元素,上面已经进行了详细讲解。

*++p 等价于 *(++p),会先进行 ++p 运算,使得 p 的值增加,指向下一个元素,整体上相当于 *(p+1),所以会获得第 n+1 个数组元素的值。

(*p)++ 就非常简单了,会先取得第 n 个元素的值,再对该元素的值加 1。假设 p 指向第 0  个元素,并且第 0 个元素的值为 99,执行完该语句后,第 0  个元素的值就会变为 100。

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