Tony Bai - Part 280

简析指针与多维数组

三月 28, 2013

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上一篇文章中对多级指针做了简要分析，其实只有当指针与多维数组以及函数联合在一起使用时，麻烦才算真正到来。

零、数组与数组名

C语言中的数组的一般声明形式如下：

T arr_name[n]; /* T为类型，n为数组元素个数 */

从内存布局角度来说，数组T arr_name[n]就是内存中连续的内存单元，每个内存单元的长度为sizeof(T)，数组的起始内存单元地址为arr_name所在的内存地址，同时也是数组第一个元素arr_name[0]的内存地址。

C语言数组的数组名(arr_name)有这样的特点：arr_name = &arr_name = *arr_name = 数组起始地址。见下面例子：

char a[5];

printf("a = %p\n", a);
printf("&a = %p\n", &a);
printf("*a = %p\n", *a);

输出结果：

a = 0xbfb146c0
&a = 0xbfb146c0
*a = 0xbfb146c0

C语言数组与指针有着紧密的联系。数组名本身的值就是数组的起始地址，有了地址，就有了指针存在的理由了。

1) 数组名可以被当作指针来用

    char a[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    printf("%d, %d, %d\n", *a, *(a+1), *(a+2)); // 输出1, 2, 3

    这种用法下，数组名相当于指向数组首地址的char*指针变量。

2) 数组名可以作为地址被赋值给兼容类型的指针变量

    char a[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    char *p = a;
    printf("%d, %d, %d\n", *p, *(p+1), *(p+2)); //输出1, 2, 3

3) 数组名不可以被当作指针变量来赋值

char a[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
char b[5] = {6, 7, 8, 9, 0};

a = b; //编译器提示错误：将‘char *’赋值给‘char[5]’时类型不兼容

数组名与指针变量不同：指针变量有单独的存储空间，其存储空间内存储的是指向的内存单元的地址，但数组名只是个"代号"而已，其没有单独的存储空间，其所在内存地址中存储的是数组第一个元素的元素值，而不是一个地址。或者说数组名代表的是一个值类型，char a[5]中的a可理解为是一个char[5]的值类型变量。将一个数组指针变量值赋值给一个值变量显然是不合逻辑的，也是非法的。

4) 考虑到效率，数组无法被按值传递给函数

    虽然数组名可以理解为一个值类型变量，但将数组名传递给函数时，传递的不是数组的全部，而只是数组的首地址，这显然是有效率方面考虑的。如果是传递数组的全部，那碰到大数组时，这个mem copy的效率显然是不可接受的。但通过这个首地址，函数内部也是可以访问和修改数组中的所有元素的。

5) 函数形参中的数组变量将被转化为兼容类型指针变量对待

正如4)中所言，数组是以传址方式传入函数的。对于以数组变量作为形参的函数来说，在函数内部引用该参数时，会自动将该参数视为数组类型兼容的指针变量，比如：
char a[5] = {1, 2, 3, 4, 5};

    void foo(char a[5]) {
        printf("sizeof(a) = %d\n", sizeof(a));
    }

这是一个经典的C语言“陷阱”。foo形参中变量a已经转化为一个char*类型指针了。对该指针变量进行sizeof操作，所得的 size仅是一个指针的长度(在32bit编译下是4)，而不是a数组的长度(4 * 5)。

一、多维数组的理解

C语言中管数组的数组(的数组的…)称为多维数组，虽然高于二维的多维数组并不经常使用和遇见。

T multi_arr_name[i][j][k];

多维数组也是数组，根据数组的理解，多维数组也是内存中连续分配的内存单元，只是这些物理分配的内存单元被从逻辑上看成是“行”、“列”以及各种维度罢了。《C专家编程》中有一种理解方法：将数组看成是一种向量，也就是某种对象的一维数组；当其元素为其他数组时，这个向量也就是我们所说的多维数组。

我们来结合例子理解一下多维数组，从低维到高维度逐步理解：

1) 一维数组

char a[2];
这是一个向量，拥有两个元素，向量中的元素类型为char。可以理解为：

char a[2]; <=> (char) a[2];

2) 二维数组

char a[2][3];
这是一个向量，拥有两个元素，向量中的元素类型为char[3]。可以理解为：

char a[2][3]; <=> (char[3]) a[2];

3) 三维数组

char a[2][3][5];
这是一个向量，拥有两个元素，向量中的元素类型为char[3][5]。可以理解为：

char a[2][3][5]; <=> (char[3][5]) a[2];

4) N维数组

char a[i][j][k]…[z];
这是一个向量，拥有i个元素，向量中的元素类型为char[j][k]…[z]。可以理解为：

char a[i][j][k]…[z]; <=> (char [j][k]…[z]) a[i];

二、与数组类型兼容的指针类型

假设有下面这样一个数组：

char a[2][3];

我要声明一个可以指向该数组的指针变量，这个声明该如何书写呢？是 char *p[3]还是char (*p)[3]？按照上面对多维数组的理解:

char a[2][3]; <=> char[3] a[2];

这样我们只需构造出一个指向char[3]类型的指针即可，显然这样的指针声明是(char[3]) *p。哦，不对，这样的声明C编译器是不认的，乾坤大挪移！把(char[3])从中间劈开 => char *p[3]，这样对么？这个是指向数组a的指针么？怎么越看越像是一个指针数组阿，char *p[3]<=> (char*) p[3]。哇，真的弄错了，改！对了，刚才忘记了(char[3]) *p中还有一对括号呢，给*p穿上，=> char (*p)[3]。这回没错了，就是它了。

char a[2][3];
char (*p)[3];

p = a; /* 没有什么比这个还正确的了 */

再来一个三维数组的例子，这次简单直白点。

char a[2][3][5];

变形！=> (char[3][5]) a[2];
指针有了 => (char[3][5]) *p => char (*p)[3][5];

有了上面的例子分析，对于更高维度数组，你还不会声明其兼容的指针类型吗？

理解了多维数组兼容的指针变量的类型声明，那么将多维数组与函数结合在一起使用时，你就会得心应手了，在函数内部你看到的、能用到的就是多维数组对应的兼容指针类型变量。

三、多维数组中的“隐式数组名”

在很多C语言书中，我们会经常看到这样的描述：对于多维数组char a[m][n][h]，其中的某个元素a[i][j][k] <=> *(*(*(a + i) + j) + k)。这种等价形式是如何形成的呢？

第零小节的描述告诉我们：数组名是具有指针属性的，除了标准的下标引用方式外，还可以以指针的方式做指针运算以及访问元素，这就是 *(*(*(a + i) + j) + k)是合法的原因。

接下来我们来对*(*(*(a + i) + j) + k)做一次分解分析。鉴于一般形式不易理解和输出结果，我们用一个具体的例子来说明。

    char a[2][3][5] = {
        {
            {1, 2, 3, 4, 5},
            {6, 7, 8, 9, 10},
            {11, 12, 13, 14, 15},
        },

        {
            {21, 22, 23, 24, 25},
            {26, 27, 28, 29, 30},
            {31, 32, 33, 34, 35},
        }
    };

    char (*p)[3][5] = a;
    printf("a[1][2][3] = %d\n”, a[1][2][3]);
    printf("a addr = %p\n", a);
    printf("a + 1 = %p\n", a + 1);
    printf("*(a + 1) = %p\n", *(a + 1));
    printf("*(a + 1) + 2 = %p\n", *(a + 1) + 2);
    printf("*(*(a + 1) + 2) = %p\n", *(*(a + 1) + 2));
    printf("*(*(a + 1) + 2) + 3 = %p\n", *(*(a + 1) + 2) + 3);
    printf("*(*(*(a + 1) + 2) + 3) = %d\n", *(*(*(a + 1) + 2) + 3));

编译这个程序，执行输出：

a[1][2][3] = 34
a addr = 0xbfa0893e
a + 1 = 0xbfa0894d
*(a + 1) = 0xbfa0894d
*(a + 1) + 2 = 0xbfa08957
*(*(a + 1) + 2) = 0xbfa08957
*(*(a + 1) + 2) + 3 = 0xbfa0895a
*(*(*(a + 1) + 2) + 3) = 34

我们以*(*(*(a + 1) + 2) + 3)为例，再根据上面的输出结果，逐步拆解分析。

1) a + 1

a的等价指针类型是char (*p)[3][5]; 因此a + 1这个指针运算的结果相当于在数组a的起始地址开始向后移动sizeof(char [3][5])个字节。从输出结果来看，a + 1 = 0xbfa0894d = 0xbfa0893e + 15 = a addr +15也印证了这点。

2) *(a + 1)

通常指针的解引用操作会得到指针所指内存地址所在存储单元中存储的值。但上面的输出结果让我们产生疑问：

*(a + 1) = 0xbfa0894d == a + 1

在若干年前我的文章《挖掘一下C语言中的多维数组》中曾经探讨过这个问题，当时针对这个问题并未给出答案。这次对此问题我又有了新的认识。还记得我们在开篇中对数组名做的操作以及输出结果么：

char a[5];

a = 0xbfb146c0
&a = 0xbfb146c0
*a = 0xbfb146c0

也是a == *a。而这里同样是*(a + 1) == a + 1。通过这个对比我们得到一个大胆的推论：a + 1也可以看作是一个“数组名”，这是一个隐式数组名。只有这个解释看起来是合理的。

3) *(a + 1) + 2

a + 1这个隐式数组名对应的指针类型是char (*p)[5]，因此 *(a+1) +2相当于从a + 1地址的开始再向后移动10(2 x 5)个字节，也就是0xbfa08957，输出结果也印证了这点。

4) *(*(a + 1) + 2)

我们又遇到了一个隐式数组名。*(*(a + 1) + 2) = 0xbfa08957 == *(a + 1) + 2。

5) *(*(a + 1) + 2) + 3

*(a + 1) + 2这个隐式数组名对应的指针类型是char *p，因此*(*(a + 1) + 2) + 3相当于从*(a + 1) + 2开始再向后移动3个字节，也就是0xbfa0895a，注意这个地址所在单元上存储的是一个char值。

6) *(*(*(a + 1) + 2) + 3)

如果将*(*(a + 1) + 2) + 3赋值给char *p，那么*(*(*(a + 1) + 2) + 3)就相当于*p，这个再简单不过了，34就是这个单元存储的char值。

简析多级指针解引用

三月 23, 2013

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指针是C语言中公认的最为强大的语法要素，但同时也是最难理解的语法要素，它曾给程序员带来了无数麻烦和痛苦，以致于在C语言之后诞生的很多新兴语言中我们再也难觅指针的身影了。

下面是一个最简单的C语言指针的例子：
int a = 5;
int *p = &a;

其中p就是一个指针变量。如果C语言中仅仅存在这类指针，那显然指针不会形成“大患”。经常地我们会在代码中看到下面的情形：

int **q = &p;
int ***z = &q;

随着符号'*'个数的增加，C代码的理解复杂度似乎也曾指数级别增长似的。像q、z这样的指向指针的指针(pointer to pointer to …)变量，中文俗称“多级指针”。不过在一些正式的英文C语言教程中，我没能找到其正式的英文说法。在老外的这些书中，它们多被称为pointer to pointer (to pointer to ….)。多级指针的确是很难理解的，特别当与函数、数组等联合在一起使用时。今天在写代码时恰好撞见了多级指针，于是就打算在这里说说对多级指针以及其解引用的一些粗浅理解。

指针究竟是啥？

和普通变量想比，指针变量到底有何不同，究竟何为指针(变量)？我们来看一个例子：

int a = 5;
int *p = &a;

printf("a addr = [%p]\n", &a);
printf("a content = [%d]\n", a);
printf("p addr = [%p]\n", &p);
printf("p content = [%p]\n", p);
printf("*p = [%d]\n", *p);

*p = 6;
printf("after modify, *p = [%d]\n", *p);

编译这个小程序并执行，输出结果如下：

a addr = [0xbfb609b8]
a content = [5]
p addr = [0xbfb609bc]
p content = [0xbfb609b8]
*p = [5]
after modify, *p = [6]

通过两个变量的addr，我们可以看到a、p两个变量都是在栈上分配的变量。不同的是普通整型变量a对应的内存单元(a content)中存储的值为整型值5，是一个数值；而变量p对应的内存单元(p content)中存储的值为0xbfb609b8，是变量a的地址，用栈变量简图可以表示如下：

| …      |
|0xbfb609b8| <- &p [0xbfb609bc]
|5         | <- &a [0xbfb609b8]
| …      |

可以看出指针变量的第一个特点是它是一种以存储其他变量地址为目的的变量。一个T类型的指针变量(一级指针)就是一个存储了某T类型值变量的地址的内存单元。

例子中最后那个输出是对指针的解引用(dereference)操作，指针的解引用操作的结果是得到指针所指的地址上的变量的值。在这个例子中指针所指到内存地址为0xbfb609b8，也就是a变量的位置，因此*p的结果为变量a的值，即5。因此我们得到指针变量的第二个特点：通过对指针的解引用，我们可以获得其指向的内存单元所表示的值。

在例子中，我们看到了这行代码 *p = 6，并发现执行这行代码后，a变量的值变为了6。这就是指针的第三个特点：当解引用作左值时，它可以修改其所指内存地址上变量的值。a被修改后的栈变量分布简图：

| …      |
|0xbfb609b8| <- &p [0xbfb609bc]
|6         | <- &a [0xbfb609b8]
| …      |

二级指针

我们再来分析一下下面的示例程序的输出结果。

int a = 5;
int b = 13;
int *p = &a;
printf("*p = %d\n", *p);
int **q = &p;
(*q) = &b;
printf("*p = %d\n", *p);

根据前面的分析，第一次*p输出时p指向a的地址，对p解引用的结果就是a所在内存单元的值，即5。接下来的代码分析起来就需要谨慎一些了。我们先来看看 int **q = &p这行代码。根据对一级指针的分析，我们可以将int **q理解成(int*) *q，这样q指向的地址就是一个int*型的变量的内存地址，该地址上的值本身也是一个地址值。在这个例子中，(int*) *q = &p; 也就是说q中存储的值就是变量p的地址。通过*q我们可以得到p中存储的地址值(&a)；而若*q作为左值，显然就是修改p中存储的地址值喽，因此(*q) = &b则相当于p = &b，则第二个*p的输出结果为变量b所在内存单元的值，即13。

在修改*q前，栈上内存布局：

在修改*q的值后，栈上内存布局：

| …      |
|0xbf830ec8| <- &q [0xbf830ecc]
|0xbf830ec4| <- &p [0xbf830ec8] /* 通过*q修改 */
|11        | <- &b [0xbf830ec4]
|5         | <- &a [0xbf830ec0]
| …      |

再来分析一下**q的值又是啥呢？有了前面的铺垫：*q <=> p，那**q <=> *(*q) <=> *p，其值自然就明了了，就是b的值。

多级指针

有了一级指针和二级指针的分析打基础，当我们遇到更多*的时候，只是遵循这个方法耐心分析就是了，比如：

int a = 5;
int *p = &a;
int **q = &p;
int ***z = &q;

我们可以对比着前面一、二级指针的理解方法来理解这三个指针p、q和z：
    – 一级指针p自身存储的是整型值变量a的地址，对一级指针解引用(*p)得到的是值变量a的值；*p作左值，修改的是变量a的值；
    – 二级指针q自身存储的是一级整型指针变量p的地址，对二级指针解引用(*q)得到的是一级指针p自身存储的值(a的地址:&a)；*p作左值时，修改的一级指针p的指向；
    – 三级指针z自身存储的是二级整型指针变量q的地址，对三级指针解引用(*z)得到的是二级指针q自身存储的值，也就是p的地址(&p)；对*z再解引用(**z)，相当于得到p自身存储的值，也就是a的地址&a；对**z再解引用，即***z，相当于得到a自身存储的变量值，即5。用一个等价式可以更形象的表达：***z <=> **(*z) <=> **q <=> *(*q) <=> *p <=> 5。
    – 更高级别的指针可依次类推。不过如果再对***z解引用，即****z，那则相当于对整型数5（非地址）进行解引用，会出现编译错误：一元 ‘*’参数类型无效(有‘int’)。