C语言K&R圣经笔记 5.3指针和数组 5.4地址运算

5.3 指针和数组

在 C 语言中，指针和数组有着非常强的关联，强到应当把两者同时拿出来讨论。任何可以通过数组下标来做到的操作，也都能用指针来做到。而指针的版本通常会更快，但至少对初学者来说会更难理解。

如下声明

int a[10];

定义了一个大小为 10 的数组 a，即由10个名为 a[0], a[1], ... a[9] 的连续对象所组成的块。

用 a[i] 来表示数组的第 i 个元素。如果 pa 是指向整数的指针，其声明为

int *pa;

则赋值语句

pa = &a[0];

使 pa 指向 a 的第 0 个元素；也就是说， pa 包含了 a[0] 的地址。

现在如果再赋值

x = *pa;

会将 a[0] 的内容拷贝给 x。

如果 pa 指向数组的某个特定元素，则根据定义，pa + 1 会指向下一个元素，pa + i 指向 pa 之后的第 i 个元素， pa - i 指向 pa 之前的第 i 个元素。因此，如果 pa 指向 a[0]，则

*(pa+1)

表示 a[1] 的内容，而 pa + i 表示 a[i] 的地址，而 *(pa+i) 是 a[i] 的内容。

其实，不管数组 a 里面的变量是什么类型，占据多大空间，上述说法都是正确的。“将指针加1” 的含义是?pa + 1 指向下一个对象，由此扩展到所有指针运算，可得?pa + i 指向 pa 之后的第 i 个对象。

下标和指针运算之间有非常紧密的关联。根据定义，类型为数组的变量或表达式，其值为数组第 0 个元素的地址。因此，经过如下赋值之后

pa = &a[0];

pa 和 a 有相同的值。由于数组的名称就是其首个元素位置的同义词，赋值?pa = &a[0] 也能够写成

pa = a;

而更令人惊奇（至少在首次看到时）的事实是，a[i] 也能够写成 *(a+i)。在计算 a[i] 时，C会立即将其转换为 *(a+i)；两种形式是等价的。将操作符 & 分别应用到两者，就能得到 &a[i] 和 a+i 也是等价的：a+i 是 a 之后第 i 个元素的地址。从另一个角度看，如果 pa 是指针，可以对它加下标来使用；pa[i] 等价于 *(pa+i)。简而言之，?数组+下标的表达式，等价于指针+偏移的表达式。

数组名称和指针有一个区别必须牢记。指针是一个变量，因此 pa=a 和 pa++ 都是合法的。但数组名不是变量；像 a=pa 和 a++ 这样的结构是非法的。

当数组名称被传递给函数时，传递的是数组首元素的位置。在被调函数中，该参数是一个局部变量，因此数组名参数是一个指针，即一个包含地址的变量。我们可以利用这个事实来写另一个版本的 strlen，计算字符串的长度：

/* strlen: 返回字符串s的长度 */
int strlen(char *s)
{
    int n;

    for (n = 0; *s != '\0'; s++)
        n++;
    return n;
}

由于 s 是一个指针，对其递增是完全合法的；s++ 对调用 strlen 的函数里面的字符串不起任何效果，它仅仅是对该指针在 strlen 中的私有拷贝进行递增。这意味着如下调用：

strlen("hello, world");    /* 字符串常量 */
strlen(array);             /* char array[100]; */
strlen(ptr);               /* char *ptr; */

都是可行的。

作为函数定义中的形参

char s[];

和

char *s;

是等价的；我们更偏向后者，因为它更显式地表明该参数是指针。当数组名称被传递给函数时，函数可以根据自己的意愿来认定它处理的是数组还是指针，并进行对应的操作。如果能够让代码看起来更恰当、更清晰，甚至可以使用两种表示法。

通过传递指向子数组开头的指针，可以将数组的一部分传递给函数。例如，如果 a 是数组，则

f(&a[2])

和

f(a+2)

都是把从 a[2] 开头的子数组地址传给函数 f 。在函数 f 中，参数声明可以写为

f(int arr[]) { ... }

或是

f(int *arr) { ... }

从 f 的角度而言，参数指向的是大数组的一部分还是数组真实的首地址，都无关紧要。

如果能保证元素的存在，可以将数组向前索引；p[-1] 和 p[-2] 等在语法上都是合法的，它们都指向 紧挨着 p[0] 的之前的元素。当然，引用数组边界之外的元素是非法的。

5.4 地址运算

如果 p 是指向数组中某个元素的指针，则 p++ 将 p 递增以指向下一个元素，而 p+=i 将 p 递增 i 以指向当前元素后的第 i 个元素。这些及其类似的结构，是指针或地址运算的最简单形式。

C 语言地址运算的方式是一致而且有规律的；对指针，数组和地址运算的集成是 C 语言的优势之一。我们写一个简单原始的内存管理器来说明。有两个例程。第一个是 alloc(n)，返回一个指针 p， 指向 n 个连续字符的位置，alloc 的调用者可以用它来保存字符。第二个是 afree(p)，释放通过alloc 获取到的内存，使这块内存后续能被重用。说它们是“简单原始”的，因为必须以 alloc 相反的顺序来调用?afree 。也就是说，alloc 和 afree 管理的内存是一个栈，或者叫后进先出队列。标准库提供的类似函数叫做 malloc 和 free ，没有这个限制；在8.7节会展示如何来实现它们。

最简单的实现是让 alloc 交出一个我们称之为 allocbuf 的大字符数组中的一小部分。这个数组是 alloc 和 free 私有的。因为它们使用指针而不是下标来处理，其他例程不需要知道数组的名字，因此在包含 alloc 和 free 的源文件中，该数组可以声明为 static，使之对外部不可见。在实际的内存管理器中，数组甚至都不需要有名字；它可能是通过调用 malloc 或请求操作系统，从而获取到的一个指向未命名内存块的指针。

另一个所需的信息是 allocbuf 用了多少。我们使用一个指针 allocp 来指向下一个空闲的元素。当 alloc 被要求 n?个字符时，它检查在 allocbuf 中是否存在足够的空间。如果是，它返回当前的 allocp 值（即空闲块的开头），并将其递增 n，以指向下一个空闲区域。如果没有足够空间，alloc 返回零。afree(p) 仅仅是将 allocp 设为 p，如果 p 在 allocbuf 内部的话。

#define ALLOCSIZE 10000    /* 可用空间 */

static char allocbuf[ALLOCSIZE];    /* alloc所用空间 */
static char *allocp = allocbuf;     /* 下一个空闲位置 */

char *alloc(int n)    /* 返回指向n个字符的指针 */
{
    if (allocbuf + ALLOCSIZE - allocp >= n) {    /* 空间足够 */
        allocp += n;
        return allocp - n;    /* 旧的指针 */
    } else {        /* 空间不足 */
        return 0;
    }
}

void afree(char *p)    /* 释放p指向的空间 */
{
    if (p >= allocbuf && p < allocbuf + ALLOCSIZE)
        allocp = p;
}

通常，指针可以像其他变量一样初始化，不过正常情况下，有意义的初始值只有零，或者是包含之前定义过且类型匹配的地址的表达式。如下声明

static char *allocp = allocbuf;

将 allocp 定义为字符串指针，并将其初始化为指向 allocbuf 的开头，即程序启动时的下一个空闲位置。这也可以写成

static char *allocp = &allocbuf[0];

因为数组名称正是其第0个元素的地址。

如下判断

if (allocbuf + ALLOCSIZE - allocp >= n) { /* 足够 */

用来检查是否有足够的空间可满足分配 n 个字符的请求。如果有，则 allocp 的新值最多能到达的位置比 allocbuf 的末尾元素还超过一个【注意这个地址已经不属于allocbuf了，只可用来比较，不能分配】。如果请求能够满足，alloc 返回指向一块字符的起始位置的指针（注意alloc函数的声明）。如果不能，alloc 必须能够返回指示空间不足的信号。C 语言保证 0 永远不会是数据的合法地址，因此返回值零用来指示不正常的事件，此时为空间不足。

指针和整数是不可以相互交换使用的。零是唯一的例外：常量零可以被赋给指针，且指针可以与常量零比较。通常用符号常量 NULL 作为助记符来代替零，以更清晰地表示这是指针的特殊值。NULL 在 <stdio.h> 中定义。此后我们都将使用 NULL。

如下判断

if (allocbuf + ALLOCSIZE - allocp >= n) { /* 足够 */

以及

if (p >= allocbuf && p < allocbuf + ALLOCSIZE)

显示了指针运算的一些重要方面。首先，指针在某些环境下可以进行比较。如果 p 和 q 都指向同一数组的元素，则关系操作符如 ==，!=，<，>= 等等，都能正常使用。例如若要

p < q

为真，则 p 指向的元素在 q 指向的元素之前。任何指针都能与零进行相等或不等的比较，这是有意义的。但如果在不指向相同数组的指针之间进行运算或比较，其行为是未定义的。（有一个例外，数组末尾之后的第一个元素可以用于指针运算）

第二，我们已经观察到，指针和整数可以相加或相减。如下结构

p + n

表示 p 当前所指地址之后的第 n 个对象的地址。不管 p 指向何种类型的对象，这个说法总是正确的；n 会根据 p 指向的对象的大小进行放大，对象大小是由 p 的声明所决定的。例如，如果 int 占四个字节，则 int 会乘以四。【即如果p指向整数，则C编译器在计算 p + n 时会把n乘以4，例如 p=12345678 ，n=1，则 p+n = 12345678 + 1*4】

指针减法也是合法的：如果 p 和 q 指向同一数组内的元素，且 p<q，则 q-p+1 是 p 和 q 之间的元素个数（包含两端）。可用利用这个事实再写出另一个版本的 strlen：

/* strlen: 计算字符串s的长度 */
int strlen(char *s)
{
    char *p = s;
    
    while(*p != '\0')
        p++;
    return p - s;
}

在声明中，p 被初始化为 s，即字符串的首个字符。在 while 循环中，挨个检查每个字符，直到发现末尾的 '\0'。由于 p 指向的是字符，p++ 每次都将 p 移到下一个字符，而 p - s 表示移动过的字符数，即字符串的长度。（字符串中的字符数量可能太大，int 保存不下。头文件<stddef.h> 定义了一个类型 ptrdiff_t，它足够大，可以用来保存两个指针之间的有符号差值。然而，如果我们更仔细的话，会使用 size_t 来做 strlen 的返回值，以与标准库的版本相匹配。size_t 是 sizeof 操作符返回的有符号整型。）

指针运算是一致的：如果我们要处理比 char 占内存更多的 float，而 p 是指向 float 的指针，则 p++ 会指向下一个 float。这样，仅仅需要把 alloc 和 afree 中的所有 char 替换成 float，我们就能写出 alloc 的 float 版本 。所有的指针操作都会自动地考虑到所指向对象的大小。

合法的指针操作有：将指针赋给相同类型，一个指针与一个整数的加减，指向相同数组的两个指针的减法或比较，以及与零的赋值和比较。其他所有指针运算都是非法的。对两个指针相加是非法的，非法的还有相乘或相除，移位或者掩码，以及将指针与 float 或 double 相加，甚至，在没有强制类型转换的情况下，将一个类型的指针赋给另一个类型的指针。最后一种情况对 void * 是特例，它是可以不用强制类型转换。