【C语言】深入理解指针(进阶篇)

一、数组名的理解

数组名就是地址,而且是数组首元素的地址。

任务:运行以下代码,看数组名是否是地址。

#include <stdio.h>
int main()
{int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,0 };printf("&arr[0] = %p\n", &arr[0]);printf("arr     = %p\n", arr);return 0;
}

输出结果:

运行以上代码,我们发现数组名和数组首元素的地址打印的结果一模一样,数组名就是数组首元素(第一个元素)的地址

疑问:数组名如果就是首元素的地址,那么下面的代码证明理解?

#include <stdio.h>
int main()
{int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,0 };printf("%d\n", sizeof(arr));return 0;
}

 输出结果:40,如果arr是数组首元素的地址,那么输出的应该是4/8才对。

其实数组名就是数组首元素(第一个元素)的地址是对的,但是有两个例外:

  • sizeof(数组名):sizeof中单独放数组名,这里的数组名表示整个数组,计算的是整个数组的大小,单位是字节。
  • &数组名:这里的数组名表示整个数组,取出的是整个数组的地址(整个数组的地址和数组首元素的地址是有区别的)

除此之外,任何地方使用数组名,数组名都表示首元素的地址。

要了解arr和&arr有什么区别,请看以下代码:

#include <stdio.h>
int main()
{int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,0 };printf("&arr[0]   = %p\n", &arr);printf("&arr[0]+1 = %p\n", &arr+1);printf("arr       = %p\n", arr);printf("arr+1     = %p\n", arr+1);printf("&arr       = %p\n", &arr);printf("&arr+1     = %p\n", &arr+1);return 0;
}

 输出结果:

这里我们发现&arr[0]和&arr[0]+1相差4个字节,arr和arr+1相差4个字节,这是因为&arr[0]和arr都是首元素的地址,+1就是跳过一个元素。

都是&arr和&arr+1相差40个字节,这里是因为&arr是整个数组的地址,+1操作就是跳过整个数组的。

到这里大家应该搞清楚数组名的意义了吧。

数组名是数组首元素的地址,但是有两个例外( sizeof(arr)和&arr )。

二、使用指针访问数组

有了前面的知识支持,再结合数组的特点,我们可以很方便的使用指针访问数组了。

#include <stdio.h>
int main()
{int arr[10] = { 0 };int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);int i = 0;int* p = arr;//输入for (i = 0; i < sz; i++){scanf("%d", p + i);//p+i 是地址}//输出for (i = 0; i < sz; i++){printf("%d ", *(p + i));//*(p+1) 解引用操作符(*),是数值}return 0;
}

 这个代码搞明白了,我们再试一下,如果我们再分析一下,数组名arr是数组首元素的地址,可以赋值给p,其实数组名arr和p在这里是等价的。那我们可以使用arr[i]访问数组元素,那p[i]是否也可以访问数组呢?

#include <stdio.h>
int main()
{int arr[10] = { 0 };int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);int i = 0;int* p = arr;//输入for (i = 0; i < sz; i++){scanf("%d", p + i);//scanf("%d", arr + i);//也可以写成这样}//输出for (i = 0; i < sz; i++){printf("%d ", p[i]);}return 0;
}

在第17行的地方,将*(p+i)换成p[i]也是能够正常打印的,所以本质上p[i]等价于*(p+i)

因为数组名arr和p是等价的,所以arr[i]等价于*(arr+i)。数组元素的访问在编译器的时候,也是转换成首元素的地址+偏移量求出元素的地址,然后解引用来访问的。

三、一维数组传参的本质

我们知道数组是可以传递给函数的,这里我们讨论一下数组传参的本质。

首先从一个问题开始,我们之前都是在函数外部计算数组的元素个数,那我们可以把函数传给一个函数后,在函数内部求数组的元素个数吗?

#include <stdio.h>
void test(int arr[])
{int sz2 = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);printf("sz2 = %d\n", sz2);
}
int main()
{int arr[10] = { 0 };int sz1 = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);printf("sz1 = %d\n", sz1);test(arr);return 0;
}

 输出结果:

 在函数内部求数组的元素个数,输出的结果是1,并没有正确获得元素个数。

这就要学习数组传参的本质了,第一节数组名的理解,我们知道:数组名就是数组首元素的地址;那么在数组传参的时候,传递的是数组名,也就是说数组传参本质上传递的是数组首元素的地址

 所以函数形参的部分理论上应该是用指针变量来接收首元素的地址。那么在函数内部写sizeof(arr)计算的是一个地址的大小(单位字节),而不是数组的大小(单位字节)。正是因为函数的参数部分本质是指针,所以在函数内部是没有办法求数组元素个数的

#include <stdio.h>
void test2(int arr[])
{int sz2 = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);printf("sz2 = %d\n", sz2);
}
void test3(int *p)
{int sz3 = sizeof(p) / sizeof(p[0]);printf("sz3 = %d\n", sz3);
}
int main()
{int arr[10] = { 0 };int sz1 = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);printf("sz1 = %d\n", sz1);test2(arr);test3(arr);return 0;
}

 总结:一维数组传参,形参的部分可以写成数组的形式,也可以写成指针的形式

四、冒泡排序

冒泡排序的核心思想就是:两两相邻的元素进行比较。

方法一:

#include <stdio.h>
bubble_sort(int arr[], int sz)
{int i = 0;for (i = 0; i < sz-1; i++){int j = 0;for (j = 0; j < sz - 1 - i; j++){if (arr[j]>arr[j+1]){int tmp = arr[j];arr[j] = arr[j + 1];arr[j + 1] = tmp;}}}
}
int main()
{int arr[10] = { 3,1,7,5,8,9,0,2,4,6 };int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);//冒泡排序bubble_sort(arr,sz);int i = 0;//打印输出for (i = 0; i < sz; i++){printf("%d ", arr[i]);}
}

方法二:优化

#include <stdio.h>void bubble_sort(int arr[], int sz)//参数接收数组元素个数
{int i = 0;for (i = 0; i < sz - 1; i++){int flag = 1;//假设这⼀趟已经有序了int j = 0;for (j = 0; j < sz - i - 1; j++){if (arr[j] > arr[j + 1]){flag = 0;//发⽣交换就说明,⽆序int tmp = arr[j];arr[j] = arr[j + 1];arr[j + 1] = tmp;}}if (flag == 1)//这⼀趟没交换就说明已经有序,后续⽆序排序了break;}
}
int main()
{int arr[10] = { 3,1,7,5,8,9,0,2,4,6 };int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);//冒泡排序bubble_sort(arr, sz);int i = 0;//打印输出for (i = 0; i < sz; i++){printf("%d ", arr[i]);}
}

五、二级指针

5.1 指针的定义

一级指针:是一个指针变量,指向一个普通变量,并保存该普通变量的地址

二级指针:是一个指针变量,指向一个一级指针,并保存该一级指针的地址

 二级指针是一个指向指针的指针变量。它存储了一个指针的地址,该指针又指向另一个变量的地址。

二级指针画图

 5.2 引入二级指针

#include <stdio.h>
int main()
{int a = 10;int b = 20;int* pa = &a;int** ppa = &pa;//一次解引用*ppa,此时类型int**ppa = &b;//二次解引用**ppa,此时类型int**ppa = 200;return 0;
}

逻辑关系如下:

a是一个int类型的变量,一级指针pa指向a,并保存a的地址。

二级指针变量ppa指向一级指针pa,并保存pa的地址

二级指针ppa解引用操作:

  • 一次解引用:*ppa的类型变成 int*(代表一级指针pa)间接改变了pa的指向,从a的地址变成了b的地址。
  • 二次解引用:ppa的类型变成了 int (代表变量b),此时ppa = 200;(等价于b=200)。

(1)下面举个例子:

#include <stdio.h>
int main()
{//普通变量int a1 = 1;int a2 = 1;int a3 = 1;//一级指针int* p1 = &a1;int* p2 = &a2;int* p3 = &a3;//二级指针int** s = &p1;
}

 (假设a1,a2.a3空间连续,p1,p2,p3空间连续)逻辑图如下:

表达式移动字节数/值的变化类型
s+1sizeof(int*)*1 =  4*1  =  4int**
*s+1sizeof(int)*1  =  4*1  =  4int*
**s+1a1+1  =  1+1  =  2int

分析:

  • s+1 表示二级指针s指向了p2,移动的字节数需要根据指向的数据的空间大小进行计算sizeof(int*)*1 = 4字节,此时s+1还是二级指针,所以类型是int*。
  • *s+1 先对s进行一次解引用为*s,相当于操控一级指针p1,然后*s+1,相当于p1指向了a2的地址,所以移动sizeof(int)*1 = 4字节,此时的类型为int*。
  • **s+1 先对s进行二次解引用为**s,相当于操控变量a1,然后a1加1,所以a1=2;a1的类型是int。

总结:在对二级指针变量s的移动时,s都会将已经保存的一级指针的类型进行解析步长(s+sizeof(p)*n);而一级指针*s(相当于p一级指针变量)会以保存的变量的类型进行解析步长(*s+sizeof(a)*n)。

 六、指针数组

指针数组是多个指针变量,以数组的形式存储在内存中,数组中的每个元素都是一个地址(指针),占有多个指针存储空间。指针数组即存放指针的数组

指针数组的声明方式为:数据类型 *数组名[数组长度]。

 6.1 指针数组模拟二维数组

#include <stdio.h>
int main()
{int arr1[] = { 1,2,3,4,5 };int arr2[] = { 2,3,4,5,6 };int arr3[] = { 3,4,5,6,7 };//数组名是数组首元素的地址,类型是int*,可以存放在parr数组中int* parr[3] = { arr1,arr2,arr3 };int i = 0;for (i = 0; i < 3; i++){int j = 0;for(j = 0; j < 5; j++){printf("%d ", parr[i][j]);}printf("\n");return 0;}
}

parr数组的画图演示

 parr[i]是访问parr数组的元素,parr[i]找到的数组元素指向了整型一维数组,parr[i][j]就是整型一维数组中的元素。

上述代码模拟出的二维数组的效果,实际上并非完全是二维数组,因为每一行并非是连续的

七、数组指针变量

7.1 数组指针变量是什么

上一节我们学习了指针数组,指针数组是一种数组,数组中存放的是地址(指针)。

数组指针是指针变量,是存放数组的地址,能够指向数组的指针

任务: int (*p)[5] = { },如何理解?

优先级

运算符

名称或含义

使用形式

结合方向

说明

1

[]

数组下标

数组名[常量表达式]

左到右

--

()

圆括号

(表达式)/函数名(形参表)

--

.

成员选择(对象)

对象.成员名

--

->

成员选择(指针)

对象指针->成员名

--

 这里()和[ ]优先级相同,根据结合律,从左到右运算

()里是*p,p先和*结合,先定义了指针,说明p是一个指针变量,然后指向的是一个大小为5个整数的数组。所以p是一个指针,指向一个数组,叫数组指针。

int (*p)[5]的画图

 7.2 数组指针变量怎么初始化

数组指针变量是依赖存放数组地址的,那么怎么获取数组的地址呢?这就要用到&数组名

 如果要存放数组的地址,就得存放在数组指针变量中,如下:

nt arr[10] = {0};
&arr;//得到的就是数组的地址
int (*p)[10] = &arr;

 我们调试可以看到&arr和p的类型是完全一致的。

数组指针类型解析:

int (*p) [10] = &arr;
|       |      |
|       |      |
|       |      p指向数组的元素个数
|        p是数组指针变量名
p指向的数组的元素类型
 

 7.3 二维数组传参的本质

有了数组指针的理解,我们来讲解一下二维数组传参的本质。

过去我们有一个二维数组,徐亚传参给一个函数的时候,我们是这样写的:

#include <stdio.h>
void test(int arr[3][5],int r,int c)
{int i = 0;for (i = 0; i < r; i++){int j = 0;for (j = 0; j < c; j++){printf("%d ", arr[i][j]);}printf("\n");}
}
int main()
{int arr[3][5] = { {1,2,3,4,5},{2,3,4,5,6},{3,4,5,6,7} };test(arr, 3, 5);return 0;
}

这里实参是二维数组,形参也写成二维数组的形式,那还有什么其他写法吗?

这里我们再次理解一下二维数组,二维数组起始可以看做是每个元素是一维数组的数组,也就是二维数组的每个元素是一个一维数组。那么二维数组的首元素就是第一行,是一维数组。

arr数组

 所以,根据数组名是数组首元素的地址这个规则,二维数组的数组名表示的就是第一行的地址,是一维数组的地址。根据上面的例子,第一行的一维数组的类型就是int[5],所以第一行的地址的类型就是数组指针类型iny(*)[5]。那就意味着二维数组传参本质上也是传递地址,传递的是第一行这个一维数组的地址。那么形参也是可以写成指针形式的。如下:

#include <stdio.h>
void test(int (*p)[5], int r, int c)
{int i = 0;for (i = 0; i < r; i++){int j = 0;for (j = 0; j < c; j++){printf("%d ", *(*(p+i)+j));}printf("\n");}
}
int main()
{int arr[3][5] = { {1,2,3,4,5},{2,3,4,5,6},{3,4,5,6,7} };test(arr, 3, 5);return 0;
}

总结:二维数组传参,形参的部分可以写成数组,也可以写成指针形式。

八、函数指针变量

8.1 函数指针变量的创建

函数指针即定义一个指向函数的指针变量。

 定义格式如下:

int (*p)(int x, int  y);  //注意:这里的括号不能掉

 这个函数的类型是有两个整型参数,返回值是整型。

思考:函数是否有地址?

让我们看看以下代码:

#include <stdio.h>
void test()
{
printf("hehe\n");
}
int main()
{
printf("test: %p\n", test);
printf("&test: %p\n", &test);
return 0;
}

输出结果如下:

 观察发现,确实打印出来了地址,所以函数是有地址的,函数名技术函数的地址,当然也可以通过&函数名的方法获取函数的地址。

如果我们要将函数的地址存放起来,就得创建函数指针变量,函数指针变量的写法其实和数组指针变量非常类似。如下:

void test()
{printf("hehe\n");
}
void (*pf1)() = &test;
void (*pf2)() = test;int Add(int x, int y)
{return x + y;
}
int(*pf3)(int, int) = Add;
int(*pf3)(int x, int y) = &Add;//x和y写上或者省略都是可以

 函数指针类型解析:

int (*pf3) (int x, int y)
|        |       ------------
|        |            |
|        |            pf3指向函数的参数类型和个数的交代
|        函数指针变量名
pf3指向函数的返回类型


int (*) (int x, int y)     //pf3函数指针变量的类型

 8.2 函数指针变量的使用

通过函数指针调用指针指向的函数。

#include <stdio.h>
int Add(int x, int y)
{return x + y;
}
int main()
{int (*pf)(int, int) = Add;printf("%d\n", (*pf)(2, 3));printf("%d\n", pf(3,5));return 0;
}

输出结果:

九、函数指针数组

数组是一个存放相同类型数据的存储空间,我们已经学习了指针数组。如下:

int *arr[10];
//数组的每个元素是int*

那要把函数的地址存到⼀个数组中,那这个数组就叫函数指针数组,那函数指针的数组如何定义呢?

int (*parr1[3])();
int *parr2[3]();
int (*)() parr3[3];

答案是:parr1
parr1 先和 [] 结合,说明parr1是数组,数组的内容是什么呢?
是 int (*)() 类型的函数指针。
 

十、转移表

函数指针数组的用途:转移表

举例:计算机的一般实现

#include <stdio.h>
int add(int a, int b)
{return a + b;
}
int sub(int a, int b)
{return a - b;
}
int mul(int a, int b)
{return a * b;
}
int div(int a, int b)
{return a / b;
}
int main()
{int x, y;int input = 1;int ret = 0;do{printf("*************************\n");printf(" 1:add 2:sub \n");printf(" 3:mul 4:div \n");printf(" 0:exit \n");printf("*************************\n");printf("请选择:");scanf("%d", &input);switch (input){case 1:printf("输⼊操作数:");scanf("%d %d", &x, &y);ret = add(x, y);printf("ret = %d\n", ret);break;case 2:printf("输⼊操作数:");scanf("%d %d", &x, &y);ret = sub(x, y);printf("ret = %d\n", ret);break;case 3:printf("输⼊操作数:");scanf("%d %d", &x, &y);ret = mul(x, y);printf("ret = %d\n", ret);break;case 4:printf("输入操作数:");scanf("%d %d", &x, &y);ret = div(x, y);printf("ret = %d\n", ret);break;case 0:printf("退出程序\n");break;default:printf("选择错误\n");break;}} while (input);return 0;
}

使用函数指针数组的实现 

#include <stdio.h>
int add(int a, int b)
{return a + b;
}
int sub(int a, int b)
{return a - b;
}
int mul(int a, int b)
{return a * b;
}
int div(int a, int b)
{return a / b;
}
int main()
{int x, y;int input = 1;int ret = 0;int(*p[5])(int x, int y) = { 0, add, sub, mul, div }; //转移表do{printf("*************************\n");printf(" 1:add 2:sub \n");printf(" 3:mul 4:div \n");printf(" 0:exit \n");printf("*************************\n");printf("请选择:");scanf("%d", &input);if ((input <= 4 && input >= 1)){printf("输入操作数:");scanf("%d %d", &x, &y);ret = (*p[input])(x, y);printf("ret = %d\n", ret);}else if (input == 0){printf("退出计算器\n");}else{printf("输⼊有误\n");}} while (input);return 0;
}

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