【C语言】指针和数组的深入理解（第二期）

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1、数组的概念

有人说，数组有什么可讲的，不就是一堆相同数据类型元素类型的集合吗，确实是这样，在我学习学校C语言的时候，我清晰的记得我们老师很笼统的讲了一下基本知识，并没有深剖，如果你认为数组简单，但它确实有你值得研究的地方。就好比现在很多大学生学完C语言居然分不清数组名和取地址数组名的区别。

数组简单的使用并遍历打印：

#define N 10

int main()
{
    int arr[N] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
    int i = 0;
    for (i = 0; i < N; i++)
    {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    return 0;
}

这里我们要说几个点：

1. 在C99语法之前，[ ] 中必须是常量值，不能支持变量，在C99标准才支持了变长数组的概念
2. 数组在定义时如果没有完全初始化，其他默认初始化为 0
3. 如果定义数组你实在不知道初始化成什么，建议初始化为 0 即可，不然会成随机值
4. 如果没有指定数组元素个数，则会根据初始化内容来确定元素个数

2、数组的内存布局

在讨论数组内存布局之前，我们首先要了解栈区的空间是如何使用的，通过一串代码我们来看一下：

这里我们发现，先定义的变量，地址是比较大的，后续变量一次减小，这是为什么呢？

首先a，b，c 变量都是在 main 函数中定义的，也就是在栈上开辟的临时变量，而 a 先定义则意味着需要先被开辟空间，那么 a 就先入栈，也就是我们之前所说到，栈是整体向下的，先使用高地址后使用低地址。

紧随着我们来看看数组在内存中的布局，如果按照我们上面的理解，arr[0] 的地址肯定是大于后面元素的地址，那么到底是不是这样呢？

这里我们发现，先定义的 a 的地址确实比后定义的数组所有地址都要大，这个符合我们的预期，但是为什么 arr[0] 的地址却小于后面下标的元素呢？我们先来画图看看他们的内存布局：

所以这里我们能得出：数组是线性且连续增长的，也就是数组下标随着地址的增长而增长，如果我们站在开辟空间的角度，不应该把数组认为一个个独立的元素，应该整体开辟空间！

这里有的小伙伴可能会想，这打印出来的明明不是连续的啊，从arr[0]地址处00F3FE64 到arr[1]地址处00F3FE68这中间明明隔了四个字节啊，这是因为我们是整型数组，而且 '&' 取地址取出的是元素第一个字节的地址，也就是我们上期说的取出的是最小的地址。如果你换成 char 类型数组的话，那么就很显而易见了，感兴趣的下来自己尝试一番。

3、数组名到底是什么？

其实对于这个概念，可能有很多小伙伴还模糊不清，特别是对于刚接触C语言的来说，要弄明白数组到底表示什么，其实很简单，仔细的往后看：

通过这个例子，我们可以明显看出，数组名代表首元素地址，同时 arr+1 也是跳过一个整型，也即 对应着 arr[0] 的地址，所以我们可以简单的得出一个暂定结论：数组名代表首元素地址。

这里我要告诉大家，数组名确实是表示首元素地址，但是有两个例外：

• &数组名：取出的是整个数组的地址（后面有例子）
• sizeof(数组名)：一定是sizeof() 里面单独放数组名，计算的是整个数组的大小

除了以上两个例外，其他任何地方你见到的数组名都是代表数组首元素地址。

以上的例子只是证明数组名代表首元素地址的例子，我们下面就来看如上所述两个例外的例子：

如上例子确实证明了我们的结论：当 sizeof() 括号内部单独放数组名时，计算的是整个数组的大小，而 &数组名 取出的是整个数组的地址，如何看呢？打印地址打印的是 16进制，我们用 &arr + 1 的结果减去 &arr 的结果，得到的是 28，转换成对应的 10进制 刚好是 40，也就是说，我们 &arr + 1 跳过的是整个数组的大小，同理他也代表整个数组的地址。

这里有的小伙伴可能又有疑问了，指针+1 不是表示跳过对应类型大小的字节吗？那 arr 数组每个元素的类型是 int 啊，怎么不是跳过 4 个字节呢？

这里我们要明白，arr 数组每个元素的类型确实是 int，但是这个数组的类型是 int [10] ，如何理解呢，就好比我们定义一个指针变量，int* p，可以说 p 的类型是 int*，也就是整型指针类型，同理，我们 int arr[10]，那么他的类型是不是可以这么理解：这个数组有 10个 int 类型的元素，所以他的类型也就可以理解成 int[10]。也就是 int[10] 的类型大小是 40 字节，那对应的 指针+1 是不是也应该跳过 40 个字节？是的！指针就是地址，我取出数组的地址，也就是一个指针罢了。

4、数组名做左值和右值的区别

对于刚初识C语言的小伙伴，可能对数组还是马马虎虎的，会认为数组名可以当成变量一样去使用，去给他赋值，其实这种认识是错误的，我们看一个例子就知道了：

int main()
{
    int arr[10] = { 0 };

    //赋值成 1~10
    arr = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };//err
    return 0;
}

这样直接拿起数组名赋值显然是错误的，为什么呢？前面我们就讲到，数组名大部分情况表示的都是数组首元素地址，而地址是个常量，是无法被修改的，在C语言的语法层面上就已经不允许这样操作了。

上面是数组名做左值的例子，显然这个例子是错误的，那么当数组名做右值又是什么样的含义呢？

int main()
{
    int arr[10] = { 0 };

    int* p = arr;
    return 0;
}

还是那句话，数组名代表首元素地址，但是有两个例外，但是如上代码的例子显然不是例外当中的，所以他代表的就是 arr[0] 的地址，这样一番操作，就让我们指针变量 p，有权限去访问数组的元素也可以做修改。

**总结：数组名做左值是错误的，地址是常量并不能被修改或赋值，数组名做右值，本质等价于 &arr[0] **

5、以指针的形式访问和以数组的形式访问

既然上面我们提到数组名表示首元素地址，而地址就是指针，所以我们是不是也可以通过解引用地址的形式来访问数组的元素呢？ 好比 arr 代表首元素的地址，那我们 *(arr) 是不是就可以访问数组的第一个元素呢？是的！如果我们 *(arr + 1)，也就是代表着访问数组的第二个元素，那我们设定一个变量 i，i 每次递增1，这样下去就可以达到遍历数组的效果！(为了方便下个例子，我们本例采用字符串数组演示)

显而易见，我们确实可以通过指针的形式去访问数组，同时数组也可以用 [ ] 引用下标的方式来访问，而且数组名代表着首元素地址，地址就是指针，那我们能不能将指针变量和 [ ] 引用下标的方式结合起来呢？ 【指针变量里面放的就是地址(指针)】

看到这，我相信你对数组和指针又有了更深的理解，这里我们要说一点，上述的测试用例 arr 和 str 其实是有区别的，arr 的整个数组都是在栈上保存，可以被修改，虽然 str 指针变量也是在栈上保存的，但是他存放的是一个常量字符串的首地址，常量字符串放在字符常量区，不可以被修改。

这里有个问题，指针和数组的语法访问方式居然那么相似，那他们之间有什么关系呢？

他们没有任何关系！指针就是指针，指针变量在32位系统下永远占四个字节，他存放的值是某一个内存的地址，而数组就是数组，其大小与元素的类型和个数有关。

从语法层面看，他们的访问方式可以一样，但是从底层来看他们的寻址方案是完全不同的！

总结： 指针和数组指向或表示同一块空间的时候，访问方式具有相似性，你可以用指针解引用的方式，也可以用 [ ] 下标引用方案。但是我们也要明白，他们是指针和数组是两个东西，不能混为一谈。

6、为什么C语言要把指针和数组元素访问互通呢？

void PrintfArr_1(int arr[], int n)
{
    int i = 0;
    for (i = 0; i < n; i++)
    {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");
}
void PrintfArr_2(int* ptr, int n)
{
    int i = 0;
    for (i = 0; i < n; i++)
    {
        printf("%d ", *(ptr + i));
    }
    printf("\n");
}

int main()
{
    int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
    PrintfArr_1(arr, 10);
    PrintfArr_2(arr, 10);
    return 0;
}

上面的代码并没有什么问题，不过，大家可以发现，如果没有将指针和数组元素打通的话，那么在C语言中，如果有大量的函数调用而且有大量的传参，会要求程序员进行各种访问习惯的变化，只要是要求人做的，那么就有提升代码的出错率和调试的难度。

所以干脆，C语言将指针和数组的访问方式打通，让程序员在函数内，也好像可以使用数组那样进行元素访问，本质减少了编程难度。

下期预告：指针与数组的深入理解（第三期）