指针和数组的可交换性

2011年2月7日 由 edsionte 留言 »

指针和数组是不相同的,但“很多时候”我们总认为指针和数组等价的。不可否认,这两者在某种情况下是可以相互替换的,但并不能就因此而认为在所有情况下都适合。《指针和数组不是一回事儿》系列文章将逐步深入分析指针和数组的不同之处,并解释什么时候指数组等价于指针。本文属于《指针和数组不是一回事儿》系列文章之三。

虽然前面两篇文章已经说明了数组和指针的不同,但不可否认的是,指针和数组某些可相互交换的用法仍然令人混淆。本文将给出指针和数组可交换的情景,并且分析可交换的原因。

“指针和数组可以交换!”

说出这句话并不是毫无根据的,因为在下面的两个举例中使用数组形式和指针形式都可以达到相同的结果。

举例1:

#include < stdio.h >

int main()
{
	char *p = "edsionte";
	char str[] = "edsionte";

	printf("p[1]=%c *(p+1)=%c\n",p[1],*(p+1));
	printf("str[1]=%c *(str+1)=%c\n",str[1],*(str+1));

	return 0;
}

/* 编译并运行程序 */
edsionte@edsionte-laptop:~/code/expertC$ gcc tmp.c -o tmp
edsionte@edsionte-laptop:~/code/expertC$ ./tmp
p[1]=d *(p+1)=d
str[1]=d *(str+1)=d

在举例1中,指针p指向一个匿名的字符串“edsionte”,这个匿名字符串的占用的内存空间为9个字节;与p指向一个匿名字符串不同,数组str内存储着字符串“edsionte”,占用了9个字节的空间。

现在分别要访问’d’,则方法如下。对于指针p,分别可以通过指针形式*(p+1)和数组形式p[1]来访问其所指的数据;对于数组str,分别可以通过指针形式*(str+1)和数组形式str[1]来访问数组内的元素。

我们已经知道指针和数组在内存构造和访问方式上都不同,但为什么它们都分别可以通过指针的方式和数组的方式进行访问?

举例2:

#include < stdio.h >

void getStr_pointer(char *str)
{
	printf("%s\n",str);
	printf("getStr_pointer(): sizeof(str)=%d\n",sizeof(str));
}

void getStr_array(char str[100])
{
	printf("%s\n",str);
	printf("getStr_array(): sizeof(str)=%d\n",sizeof(str));
}

int main()
{
	char str[] = "I am edsionte!";

	getStr_pointer(str);
	getStr_array(str);
	printf("main(): sizeof(str)=%d\n",sizeof(str));
}

/* 编译并运行程序 */
edsionte@edsionte-laptop:~/code/expertC$ gcc tmp2.c -o tmp2
edsionte@edsionte-laptop:~/code/expertC$ ./tmp2
I am edsionte!
getStr_pointer(): sizeof(str)=4
I am edsionte!
getStr_array(): sizeof(str)=4
main(): sizeof(str)=15

在举例2中,getStr_pointer函数和getStr_array函数的功能都是显示一条字符串。但不同的是,前者传入的参数是一个指针,后者传入的参数是一个数组。在主函数中分别调用这两个函数,传入的参数都是数组str。

既然数组和指针不同,但为什么作为函数的形参,char str[ ]和char *str相同?

上述举例所引出的这两个问题正是本文讨论的重点,它们分别对应着“指针和数组是相同”的两种情况。下面将分别进行讨论。

1.表达式中的数组名就是指针

表达式中的数组名其实就是数组首元素的首地址。对于编译器而言,a[i]其实就是*(a+i)的形式,因此以数组形式访问数组元素总是可以写成“数组首元素首地址加上偏移量”的形式。取下标符号[ ]其实可以看成一种运算规则,即指向T类型的指针和一个整数相加,最终产生的结果类型为T。这里的指针就为数组首元素首地址,而整数即为数组的偏移量。

这里必须说明一下偏移量,它是指针每次移动的步长。对于数组而言,偏移量即数组元素的大小;对于指针而言,它的偏移量即为指针所指类型的大小。在对指针进行移动时,编译器负责计算每次指针移动的步长。

因此,str[i]和*(str+i)两种形式其实是等价的。因为编译器总是将数组形式的访问自动转换成指针形式的访问。上面的分析都是针对数组而言,其实对指针以数组和指针形式访问的原理也是如此。只不过此时的访问是对指针所指向数据的访问。

结合数组和指针访问方式的不同,下面对举例1的代码做详细分析:

1.1.以指针的形式和以数组的形式访问数组

从符号表中得到符号str的地址即为数组首元素的首地址。

  • 以数组的形式:str[1]。从符号表中得到str符号的地址,即数组首元素的首地址;编译器将数组形式转化为*(str+1),在首元素首地址上加一个偏移量得到新地址;从这个新地址中读取数据,即为’d’;
  • 以指针的形式:*(str+1)。从符号表中得到str的地址,即数组首元素的首地址;在此地址上加一个偏移量得到新地址;从这个新地址中读取数据,即为’d’;

1.2.以指针的形式和以数组的形式访问指针

不管以何种方式访问,我们应该清楚p始终是一个指针。从编译器符号表中得到符号p的地址为指针p的地址。

  • 以指针的形式:*(p+1)。首先从符号表中得到p的地址;从该地址中得到指针p;对指针p加上1个偏移量得到新地址;从这个新地址中读取数据,即为’d’;
  • 以数组的形式:p[1]。首先从符号表中得到p的地址;从该地址中得到指针p;编译器将数组形式转化成*(p+1),对p加一个偏移量得到新地址;从这个新地址中读取新数据,即为’d’;

分析至此,你应该了解到以数组形式和以指针形式访问只是写法上的不同而已,其本质对内存的访问过程是一样的。

2.作为函数参数的数组名等同于指针

当作为函数形参时,编译器会将数组改成指向数组首元素的指针。此时的数组就等价于指针。之所以将传递给函数的数组形参转化为指针是处于效率的考虑。

在C语言中,所有非数组的实参数据都是以传值形式传递给函数的,即将实参的一份拷贝传递给调用函数中的形参,调用函数对这份拷贝(也就是形参)的修改不影响实参本身的值。如果按照这样的道理,传递数组时就必须拷贝整个数组空间,这样必然会产生很大的开销。并且,大部分时候并不会访问到数组中所有的元素而只是其中的几个。考虑到上述的原因,数组作为实参传递给调用函数时,只需将数组名传递给函数即可;而形参会被编译器该成指针的形式。因此,作为形参的数组既可以写成数组也可以写成指针。

现在再回到举例2中的代码,对于形参中的char str[]和char *str也就感到不再奇怪了。事实上,即便将形参写成char str[]或char str[100],编译器仍然会将它们改成char *str的形式。

既然任何数组作为形参时候都等价于一个指针,那么在函数内对“数组”的一切操作都等价于对指针的操作。验证这一点的很好例证就是举例2中对数组str求长度。在主函数中,sizeof(str)的值为15,这个结果毫无争议,它就是数组str的长度。而在getStr_pointer()和getStr_array()中,sizeof(str)的值都为4,也就验证了作为形参的数组str在调用函数中就是一个指针!在上述情况1中,虽然表达式中数组名也被认为是指针,但是数组仍然是数组(main函数中sizeof的结果就是很好的验证),而此部分数组就是指针。这也是数组等价于指针的唯一情况。

换句话说,虽然在将数组作为形参的函数中,你可以继续以数组的形式使用这个参数,但实际上你跟不可能找到数组的踪影!

总结

关于指针和数组之间的异同需要反复的思考和总结,才能搞清关系。下面对指针和数组之间的可交换性再作义简单的总结。

1.在表达式中以a[i]这样的形式对数组进行访问时,编译器总将其解释为*(a+i)的形式;

2.在数组作为函数的形参时,编译器将数组改写成指针,这个指针即为数组首元素的首地址。这也是数组等价指针的唯一情形;

3.由于2的原因,一个数组作为函数的形参时,既可以将数组定义成数组,也可以将数组定义成指针;

4.指针和数组永远是两码事,因此在不同文件中的声明和定义必须匹配,但却始终都能写成指针的形式和数组的形式(这完全是写法的不同)。

参考:

《C专家编程》 人民邮电出版社;(美)林登(LinDen.P.V.D) 著,徐波 译;

《C语言深度解剖》北京航空航天大学出版社;陈正冲 著;

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