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也谈指针运算

指针在C语言中的位置这里就不多说了,这里说一下C的指针运算。指针运算一般针对的是同一连续内存块,不同内存块之间的指针运算无意义,甚至可能导致异常情况。

指针运算主要针对数组,常见的运算类型:+i, -i, ++, –以及 < , >等。

我们以+i操作为例。运算时编译器需要知道一些必要的信息,比如p = p + 1操作时编译器需要知道这个运算后,p这个指针需要移动多少个字节,那这个信息哪里来呢,由指针p所指数据单元的类型来确定。

比如:
int *p; [...] ; p = p + i => p指向int型数据,p加i运算后移动i * sizeof(int)个字节,即i * 4个字节。
char *p; [...] ; p = p + i => p指向char型数据,p加i运算后移动i * sizeof(char)个字节,即i * 1个字节。
struct Foo *p; [...] ; p = p + i => p指向struct Foo型数据,p加i运算后移动i * sizeof(struct Foo)个字节.
char *p[4](<=> (char*)p[4],可用char **p指向该数组中的某一个元素); [...] ; p = p + i => p指向char*数据,p加i运算后移动i * sizeof(char*)个字节,即i * 4个字节.
char (*p)[4](p是一个指向二维数组的指针,该二维数组的行宽度为char[4]); [...] ; p = p + i => p指向char[4]型数据,p加i运算后移动i * sizeof(char[4])个字节,即i * 4个字节。
int (*p)[7](p是一个指向二维数组的指针,该二维数组的行宽度为int[7]); [...] ; p = p + i => p指向int[7]型数据,p加i运算后移动i* sizeof(int[7])个字节,即i * 28个字节。

再考虑一个稍微复杂些的指针运算:有一个多维数组int a[5][6],一般取其中某个元素时可采用*(*(a + i) + j)的形式来达到目的。这个指针运算有些复杂,起码不那么一目了然,我们不妨用”代换法”来分析一下:

我们可将int a[5][6]理解为一个拥有5个元素,每个元素是int[6]类型的一维数组,其实若写成(int[6]) a[5]则更好理解(但可惜这不是C语言的语法),那么(int[6]) *p1则是指向数组(int[6]) a[5]中某个元素的指针,且可进行p1 = a这样的赋值;现在我们换成C语言语法那就是int (*p1)[6];p1 = a。这样一来我们将二维化为一维,就可以利用前面的规则了。a + i <=> p1 + i,指针移动 i * sizeof(int[6]);

我们让p2 = *(a + i) <=> *(p1 + i),这样p2同样也变成一维数组(int型一维数组),p2作为数组名,自然也可作指针操作;p2 + j后,指针再移动 sizeof(int) * j个字节。

综上,*(*(a + i) + j)运算后,指针实际移动了 i * sizeof(int[6]) + j * sizeof(int)个字节。

多维数组的指针运算必要信息是由除最左维度外其他所有维度的长度信息所共同组成的,比如一个三维数组:char a[5][6][7],匹配该数组的指针类型为char (*p)[6][7]; 二三维度的长度为编译器提供了指针运算的必要信息,这里也提醒我们在将多维数组作为参数传递时务必要小心参数匹配的问题,维度信息不同会导致多维数组与相应的函数形参匹配,比如:

char a[5][6][7]与void func(char a[][7][8]);因维度信息不同而无法匹配。
char a[5][6][7] or char (*p)[6][7]则与void func(char a[5][6][7])/void func(char (*p)[6][7])匹配。

当数组作参数时

C语言中的数组和指针总保持着'千丝万缕'的联系,这里仅针对数组作为函数实参时的情况做些说明^_^。

C语言中的数组可分为一维数组和多维数组两类,而多维数组中又以二维数组最为常见。这里也仅针对这一维数组和二维数组作简要说明。

看过'高质量C++编程指南'的人可能都知道书中有这样一句'注意当数组作为函数的参数进行传递时,该数组自动退化为同类型的指针',这句话针对一维数组固然是正确的,但是对于多维数组,这显然不完全正确。但是如果你说C语言中的数组默认就指一维数组,那么这也就过得去了。C语言之所以把数组形参当作指针是出于效率考虑,试想如果把一个数组全部拷贝这样势必带来性能上的损失,如果数组很大的话,这种完全拷贝的方法就是不能忍受的了。所以目前无论你在函数声明中像'void func1(char a[])'这样写,还是像'void func1(char *a)',编译器都会把它看成后者的形式,对于一维数组,显然这没什么可说的,但是对于二维数组来说,其中还有不少值得商榷的地方。

C语言中的二维数组可以看作为'数组的数组',而且其采用'行主序',即'最右边的下标'是最先变化的。由于指针和数组的关系导致,二维数组可以广义表示为多种形式:
(1) char a[m][n] — 标准形式;
(2) char *p[n] — 指针数组形式;
(3) char (*p)[n] — 数组(行)指针的形式
(4) char **p — 指针的指针的形式

这些形式虽然都能表示二维数组,但是它们并不等价,这也给参数原型设计带来一定的不便,不过二维数组作为参数后的转化还是有原则可循的,那就是:'数组的数组'被转换为'数组的指针',下面就逐一说说每种形式对应的函数参数原型,通过例子认真体会一番:
(1) char a[m][n] — void func(char (*p)[]); 二维数组退化为数组的指针,关于如何声明数组的指针,可以参见"理解C复杂声明之'优先级规则'"和"C复杂声明解析"两篇文章;
(2) char *p[n] — void func(char **p); 这个是一个指针数组,我们只需要取地址即可;
(3) char (*p)[n] — void func(char (*p)[]); 这个本身就是一个数组指针,原封不动即可;
(4) char **p — void func(char **p); 对于指针的指针类型,同样原封不动。

三维以上的数组不常用,用起来也较复杂,这里不作说明。

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