数组和指针有什么区别

Q4MP_gh_c472c21 2021-11-22 1363

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描述

一、能力错觉

当书本（或谷歌）摆在眼前时，大脑会产生错觉，以为学习材料也同样存入了大脑，阅读毕竟比回想简单多了。

以为反复的阅读资料就是自己已经掌握知识，这就是能力错觉。

解决能力错觉的方法：

积极回想——让大脑提取关键概念，而非通过重复阅读被动地获取知识，这样才能高效地学习。

现在网络上盛行各种it类的视频教程，我不否认不少视频教程是高质量的，但是所有视频类资料都有一个问题:

可以让人不用阅读书籍，减少思考，只要被动地听老师们讲课就能舒舒服服地获取到知识，这很容易会让某些初级的软件开发人员形成能力错觉，仿佛视频里写过的代码，解决过的 bug 都是自己已经学到的知识似的。

有效的解决办法是：

公开学习笔记和练习代码。公开学习笔记的目的是借助外部压力，高效回想，进而提高自己的学习标准。
另外，公开写作则会给你的写作增加很多维度的外部压力，你会想如何让别人更好地理解我要表达的意思；如何传递更多价值，让别人读完有所收获；如何让更多人看到；如何让别人读得下去；如何排版让大家看得更舒服；

二、数组和指针有什么区别？

正文目录：

1. 用于声明时两者有重大区别
2. 你真的理解声明和定义吗？
3. 数组和指针的底层是如何访问数据的？
4. 哪些场景可以用指针代替数组？
5. 为什么C语言要把数组形参退化为指针？
6. 如何使用指针访问多维数组？
7. 相关面试题

写作目的：

正确看待数组和指针。

测试环境：

Ubuntu 16.04
Gcc 5.4.0

1、用于声明时两者有重大区别

1) 误导新手的说法：

由于数组和指针的所谓等价性非常接近，不少程序员有时忽视了二者之间的其他重要区别，最误导新手的说法之一就是 “数组和指针是相同的"，这是一种非常危险的说法。

看下面这个例子：

extern int *x;
extern int x[];

第一条语句声明 x 是个 int 型的指针；
第二条语句声明 x 是个 int 型数组，长度尚未确定，即存储长度在别处定义。

2) 为什么有些人会误以为指针和数组总是可以互换？

最主要原因是：
对数组的引用 ( x[i] ) 总是可以写成对指针的引用 ( *(x+i) )。

即确实存在一种指针和数组的定义完全相同的上下文环境。不幸的是，这只是数组的一种极为普通的用法，并非所有情况下都是如此。

2、你真的理解声明和定义吗？

想要要真正理解为什么 extern int *x 不等于 extern int x[]，我们首先需要搞清楚什么是声明，什么是定义。

1) 链接器的视角：

C 语言中的对象必须有且只有一个定义，但它可以有多个 extern 声明。这里所说的对象跟 C++ 中的对象并无关系，这里说的对象是 从链接器的视角来看的，链接器将各个函数、变量都视为对象。

2) 定义和声明的联系与区别：

定义是一种特殊的声明，它创建了一个对象；声明简单地说明了在其他地方创建的对象的名字。
定义只能出现在一个地方，它指定了对象的类型并分配内存以创建新的对象。声明可以多次出现 以描述对象的类型，用于指代其他地方定义的对象，它不为对象分配内存。
extern 对象声明告诉编译器对象的类型和名字，对象的内存分配则在别处进行。由于并未在声明中为数组分配内存，所以并不需要提供关于数组长度的信息 (多维数组例外)。

3) 总结成一句话：

定义 = 声明 + 分配内存 (创建对象)

4) 回过头来看这个例子：

extern int *x;
extern int x[];

前者声明了一个指针，后者声明了一个数组，那么它们对应的指针和数组的定义(最重要的是内存分配) 能相等吗？

3、数组和指针的底层是如何访问数据的？

现在我们来看看指针和数组的定义与使用。

1) "地址 X (Address)" 和 "地址 X 的内容(Contents of Address)" 之间的区别：

对于"地址 X" 和 "地址 X 的内容"，在 C 语言中是用同一个符号来表示这两样东西，由编译器根据上下文环境判断它的具体含义。

2) 看下面这个例子：

X = Y

符号 X 的含义是 X 所代表的地址，它是左值，编译时可知;
符号 Y 的含义是 Y 所代表的地址上的内容，它是右值，运行时才知;
左值包括可修改的左值和不可修改的左值，C 语言中，一般的数据类型都是都可作为可修改的左值，只有数组是不可修改的左值;
数组的地址在编译时可知，编译器有了这个地址 (即数组首地址)，就可以直接进行读写操作。而指针必须在运行时取得它的当前值，然后才能对它进行解除引用操作，才能进行读写操作。

3) 数组和指针的访问方式是不同的：

char a[9] = "abcedefgh";

上面这个例子中，a 是一个数组。
在编译器符号表里有一个符号 a ,它的地址为9980;
数组内的字符都可以从这个地址 + 偏移量找到，编译器甚至并不需要知道数组的总长度;

char c = 'F';
char *p = &c;

上面这个例子中，p 是一个指针。
在编译器符号表中有一个符号 p, 它的地址为 4624;
p 指向的对象是一个字符。为了取得这个字符，必须得到地址 p 的内容 (5081)，把它作为字符的地址并从这个地址中取得这个字符 ('F')。

4) 当定义为指针 (char *p)，并以数组方式 (p[i]) 引用时会发生什么？

char *p = ”abcdefgh”
printf("%c
", p[3]);

char *a = ”abcdefgh”
printf("%c
", a[3]);

p[3] 和 a[3] 都能成功访问到字符 'd';
a[i] 表示 "从 a 的地址开始，前进 i 步，每步都是一个字符（数组类型的长度）”;
p[i] 表示 "从 p 所指的地址开始，前进 i 步，每步都是一个字符（即指针所指类型的长度）”;
所以，当你用 extern char *p 来声明 char p[10]时，编译器会把 p[i] 当成一个指针(Address)，然后去获取 *(p[i]) (即 Content of Addrss)，这时最好的结果是程序立马崩溃，你能快点发现问题。最糟糕的情况是，程序崩溃在将来的某个时刻，你则 debug 到怀疑人生。

4、哪些场景可以用指针代替数组？

数组和指针容易混淆使用的 2 大类场景：

声明
在表达式中使用;

1) 声明：
声明的场景包括 3 种：

1> 不可以的场景：定义也是一种声明，定义数组时不能用指针的形式;
2> 不可以的场景：extern 数组时不能改写成指针的形式, 例如:

int char[10];    // define
extern char a[]; // ok
extern char *a;  // error

3> 可以的场景：函数的形参，用数组形式还是指针形式，随你自己的喜好。

2) 在表达式中使用：

在表达式中，指针形式和数组形式等效。

3) 几条重要的规则：

规则1："表达式中的数组名" 就是指针;
规则2：把数组下标可当作指针的偏移量;
规则3: "作为函数参数的数组名" 等同于指针;

5、为什么C语言要把数组形参退化为指针？

1) 出于效率的考虑：

在 C 语言中，所有非数组形式的数据实参均以传值形式（对实参作一份拷贝并传递给调用的函数，函数不能修改作为实参的实际变量的值)。
如果要拷贝整个数组，无论在时间上还是在内存空间上的开销都可能是非常大的。

2) 出于简化编译器的考虑：

在 C 语言中，所有的数组在作为参数传递时都转换为指向数组起始地址的指针，而其他的参数均采用传值调用。
允许程序员把形参声明为数组 (程序员打算传递给函数的东西) 或者指针 (函数实际所接收到的东西)。在函数内部，编译器始终把它当作一个指向数组第一个元素的指针。

3) 看下面这个例子：

static int array[10], array2[10];

static void func1(int *ptr)
{
    ptr[1] = 3;
    *ptr = 3;
    ptr = array2;
}

static void func2(int array[])
{
    array[1] = 3;
    *array = 3;
    array = array2;   // OK, because array is a pointer
    printf("*array=%d
", *array);
}

int main(void)
{
    func1(array);
    func2(array);
    
    array[1] = 3;
    *array = 3;
    array = array2; // ERROR
    return 0;
}

编译运行：

// main 中调用 array = array2时：
11: error: assignment to expression with array type

// 去掉 main / array = array2时：
$ ./point_array_arg
*array=0

6、如何使用指针访问多维数组？

1) C 语言的多维数组：

采用最右的下标先变化原则，其最大的用途是存储多个字符串;
单个元素的存储和引用实际上是以线性形式排列在内存中;
不能把一个数组赋值给另一个数组，因为数组作为一个整体不能成为赋值的对象;
可以把数组名赋值给一个指针，是因为在表达式中的数组名被编译器当作一个指针;
指针下标引用的规则告诉我们 pea[i][j] 被编译器解释为 ((pea + i) + j);
可以通过声明一个一维指针数组 ( (char *)pea[4]，下标方括号的优先级比指针的星号高)，其中每个指针指向一个字符串，来取得类似二维字符数组的效果;

7、相关面试题

1) 找错：计算字符串长度

下面这段程序是为了把字符串转换为大写：

#include 

void UpperCase(char str[])
{
    int test = sizeof(str);
    int test2 = sizeof(str[0]);

    for(size_t i=0; i<sizeof(str)/sizeof(str[0]); ++i) {
        if('a'<=str[i] && str[i]<='z')
            str[i] -= ('a'-'A');
    }
}



int main(void)
{

    char str[] = "aBcDeefGHijKL";
    printf("The length of str is %d
", sizeof(str)/sizeof(str[0]));

    UpperCase(str);
    printf("result: %s
", str);
    return 0;
}

运行结果：

$ ./sizeof_array 
The length of str is 14
result: ABCDEEFGHijKL

问题出在 UpperCase() 里的 sizeof(str)，这里的 str 是一个指针而不是数组。

正确的写法有2种：

给UpperCase　传递长度参数，这是最稳妥的方式。
在UpperCase 内使用strlen 获取字符串长度，这种方法仅适用于以 ‘’ 结尾的字符数组;

责任编辑：haq

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