【C语言】深度剖析指针（三）：回调机制、通用排序与数组指针逻辑

重生之我是Java开发战士2025-08-01 10:51

文章目录

一、回调函数：通过函数指针实现灵活调用

1.1 什么是回调函数？

回调函数是一种特殊的函数调用方式：当一个函数的指针（地址）作为参数传递给另一个函数，并且这个指针在被调用时指向的函数被执行，那么这个被执行的函数就称为回调函数。

简单来说，回调函数不是由函数本身直接调用，而是在特定条件下由其他函数通过指针触发，用于响应特定事件或完成特定逻辑。

1.2 回调函数的实际应用：简化计算器代码

以计算器程序为例，传统实现中，switch语句需要重复处理输入操作数、调用计算函数、输出结果等逻辑，代码冗余度高。

改造前（传统写法）：

c 复制代码 
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("******************");
		printf(" ******0:退出 *****");
		printf(" ******1:add *****");
		printf(" ******2:sub *****");
		printf(" ******3:mul *****");
		printf(" ******4:div *****");
		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;
		}
	} while (input != 0);

	return 0;
}

我们发现每个case下都有大量的重复语句，可以把这些语句封装成函数calc，提高代码的可利用性。但是每个case下调用的函数不一样，不能直接用一个函数笼统表示。这就需要利用函数指针，把需要调用的函数作为参数传给calc：

改造后（回调函数版）：

c 复制代码 
// 定义通用计算函数，接收函数指针作为参数
void calc(int(*pf)(int, int)) {
    int x, y, ret;
    printf("输入操作数:");
    scanf("%d %d", &x, &y);
    ret = pf(x, y);  // 通过函数指针调用回调函数
    printf("ret = %d\n", ret);
}

// 主函数中直接通过函数名调用
case 1: calc(add); break;   
case 2: calc(sub); break;  
case 2: calc(mul); break;  
case 2: calc(div); break;

优势 ：将重复的输入输出逻辑封装到calc函数中，通过传递不同的计算函数指针（add/sub等）实现灵活调用，减少代码冗余，提高可维护性。

二、qsort函数

qsort是C语言标准库中的快速排序 函数，支持对任意类型的数据进行排序（整型、结构体等），其核心是通过回调函数定义排序规则。

2.1 qsort函数的参数说明

c 复制代码 
void qsort(
    void* base,        // 待排序数组的起始地址
    size_t nmemb,      // 数组元素个数
    size_t size,       // 每个元素的大小（单位：字节）
    int (*compar)(const void*, const void*)  // 比较函数（回调函数）
);
  • 比较函数 ：需用户自定义，返回值规则：
    • 若p1 > p2，返回正数；
    • 若p1 == p2，返回0；
    • 若p1 < p2，返回负数。

注意：

  • 使用qsort()要先包含头文件#include<stdlib.h>
  • void*是无具体类型的指针，不可以直接解引用，也不可以进行±整数的运算，必须先强制类型转换。

2.2 使用qsort排序整型数据

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>  // qsort所在头文件

int int_cmp(const void* p1, const void* p2) {
    // 将void*转换为int*，再解引用获取值
    return *(int*)p1 - *(int*)p2;
}

int main() {
    int arr[] = {1, 3, 5, 7, 9, 2, 4, 6, 8, 0};
    int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
    
    qsort(arr, n, sizeof(int), int_cmp);
    
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);  // 输出：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
    }
    return 0;
}

2.3 使用qsort排序结构体数据

结构体包含多种类型成员（如姓名、年龄），可通过不同的比较函数实现按不同字段排序。

示例：学生信息排序

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>  // strcmp所在头文件

struct stu
{
	char name[20];
	int age;
};

int cmp_stu_by_name(const void* p1, const void* p2)
{
	return strcmp(((struct stu*)p1)->name, ((struct stu*)p2)->name);
}

int cmp_stu_by_age(const void* p1, const void* p2)
{
	return ((struct stu*)p1)->age - ((struct stu*)p2)->age;
}

int main()
{
	struct stu arr[3] = { {"rare",20},{"daisy",18}, {"sivan",22} };
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	qsort(arr, sz, sizeof(arr[0]), cmp_stu_by_name);
	qsort(arr, sz, sizeof(arr[0]), cmp_stu_by_age);


return 0;
}

注意：

  • 比较字符串大小可以用strcmp()函数，其所在的头文件是string.h
  • strcmp()是按照对应字符的ASCII码值比较的，不是比较长度。例如："abq">"abcd"
  • 结构体中指针的访问要用->

2.4 qsort函数的模拟实现：用冒泡排序理解通用排序

qsort的核心是通用性 （支持任意类型），其底层可基于冒泡、快速排序等算法实现。以下用冒泡排序模拟qsort的逻辑。

2.4.1 模拟实现思路

1. main()主程序：
  • 创建一个无序数组
  • 计算数组元素个数sz
  • 调用bubble_sort()函数
2. bubble_sort()
  • qsort()四个参数：
    • 首个地址void* base
    • 元素个数size_t sz
    • 每个元素大小size_t width
    • 自定义比较函数int(*cmp)(const void* p1 , const void* p2)
  • 调用cmp比较大小：
    • 将首个元素地址转为char*类型，因为char大小为1字节，方便不同类型传入，进行比较。
    • 这里相当于"指针 ± 整数"，指针类型是char*，所以 ± 整数都是跳过整数个字节，j*width就是跳过一个元素的长度。因此这里传入的是第j和j+1个元素进行比较。
  • 调用swap： 升序排序，cmp()>0则交换。这里原理同上，传入第j和j+1个元素的地址。
3.swap()：
  • 逐字节进行交换，循环次数就是width，每个元素的大小。

2.4.2 模拟实现代码

c 复制代码 
#include <stdio.h>
int cmp_int(const void* p1, const void* p2)
{
	return *((int*)p1) - *((int*)p2);
}

void swap(char* buf1, char* buf2, size_t width)
{
	for (int i = 0; i < width; i++)
	{
		char temp = *buf1;
		*buf1 = *buf2;
		*buf2 = temp;
		buf1++;
		buf2++;
		//逐字节交换
	}
}

void bubble_sort(void* base,size_t sz,size_t width,int(*cmp)(const void* p1 ,const void* p2))
{
	for (int i = 0; i < sz - 1; i++)
	{
		for (int j = 0;j < sz - 1 - i;j++)
		{
			if ( cmp( (char*)base + j * width,(char*)base + ( j + 1 )*width   )> 0)
			{
				swap((char*)base + j * width, (char*)base + (j + 1) * width,width);
			}
		}
	}
}

int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,7,6,9,8,10,6,4,9 };
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	bubble_sort(arr,sz,sizeof(arr[0]),cmp_int);
	for (size_t i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	return 0;
}

三、sizeof与strlen

在C语言中，指针与数组的结合往往是初学者的"绊脚石"，而sizeof与strlen的混淆更是常见的"雷区"。本讲将通过对比分析sizeof与strlen的核心区别，并结合经典笔试题，带你彻底厘清数组与指针的底层逻辑。

3.1 sizeof：计算内存大小

sizeof是C语言的操作符，其核心功能是计算变量或类型所占用的内存空间大小（单位：字节）。它的特点是：

  • 只关注内存占用，不关心内存中存储的数据；
  • 操作数可以是变量，也可以是类型（如sizeof(int)）；
  • 对于数组名，sizeof(数组名)计算的是整个数组的大小（其他情况数组名通常表示首元素地址）。

示例代码：

c 复制代码 
#include <stdio.h>
int main() {
    int a = 10;
    printf("%d\n", sizeof(a));    // 结果：4（int类型占4字节）
    printf("%d\n", sizeof a);     // 结果：4（变量名可省略括号）
    printf("%d\n", sizeof(int));  // 结果：4（int类型的大小）
    return 0;
}

3.2 strlen：丈量字符串长度

strlen是C语言标准库函数（声明于<string.h>），功能是计算字符串的长度，其核心逻辑是：

  • 从传入的地址开始，逐个字符计数，直到遇到\0停止 （\0不计入长度）；
  • 若字符串中没有\0，会越界查找，导致结果未定义（UB）。

示例代码：

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main() {
    char arr1[3] = {'a', 'b', 'c'};  // 无\0
    char arr2[] = "abc";             // 隐含\0
    printf("%d\n", strlen(arr1));    // 结果：随机值（越界查找）
    printf("%d\n", strlen(arr2));    // 结果：3（遇到\0停止）
    return 0;
}

3.3 核心区别对比

特性 sizeof strlen
本质 操作符（编译期计算） 库函数（运行期计算）
功能 计算内存空间大小（字节） 计算字符串长度（\0前字符数）
关注内容 仅关心内存占用，与数据无关 依赖\0结束符，无\0则越界
参数类型 变量、类型、表达式等 仅接受char*（字符串首地址）
返回值 size_t（无符号整数） size_t（无符号整数）

四、数组与指针笔试题解析

4.1 一维数组：数组名

代码示例：

c 复制代码 
int a[] = {1,2,3,4};
printf("%d\n", sizeof(a));        // 结果：16（整个数组大小：4元素×4字节）
printf("%d\n", sizeof(a+0));      // 结果：4/8（首元素地址，指针大小）
printf("%d\n", sizeof(*a));       // 结果：4（首元素是int，占4字节）
printf("%d\n", sizeof(a+1));      // 结果：4/8（第二个元素地址，指针大小）
printf("%d\n", sizeof(a[1]));     // 结果：4（第二个元素是int）
printf("%d\n", sizeof(&a));       // 结果：4/8（数组地址，指针大小）
printf("%d\n", sizeof(*&a));      // 结果：16（*&a等价于a，整个数组大小）
printf("%d\n", sizeof(&a+1));     // 结果：4/8（跳过整个数组的地址，指针大小）
printf("%d\n", sizeof(&a[0]));    // 结果：4/8（首元素地址，指针大小）
printf("%d\n", sizeof(&a[0]+1));  // 结果：4/8（第二个元素地址，指针大小）

关键结论：

  • 数组名a在sizeof(a)和&a中表示整个数组 ，其他情况均表示首元素地址。
  • 指针运算（如a+1）的结果仍是指针，大小为4/8字节（取决于32/64位系统）。

4.2 字符数组：\0

字符数组的核心陷阱在于是否包含\0，这直接影响strlen的结果。

代码1：无\0的字符数组（sizeof解析）

c 复制代码 
char arr[] = {'a','b','c','d','e','f'};
printf("%d\n", sizeof(arr));       // 结果：6（6个char，每个1字节）
printf("%d\n", sizeof(arr+0));     // 结果：4/8（首元素地址，指针大小）
printf("%d\n", sizeof(*arr));      // 结果：1（首元素是char）
printf("%d\n", sizeof(&arr));      // 结果：4/8（数组地址，指针大小）
printf("%d\n", sizeof(&arr+1));    // 结果：4/8（跳过整个数组的地址）

代码2：无\0的字符数组（strlen解析）

c 复制代码 
char arr[] = {'a','b','c','d','e','f'};
printf("%d\n", strlen(arr));       // 结果：随机值（无\0，越界查找）
printf("%d\n", strlen(arr+0));     // 结果：随机值（同arr，首元素地址）
printf("%d\n", strlen(*arr));      // 错误（*arr是'a'，ASCII值97，视为地址越界）

代码3：含\0的字符数组（字符串）

c 复制代码 
char arr[] = "abcdef";  // 隐含'\0'，共7个元素
printf("%d\n", sizeof(arr));       // 结果：7（包含'\0'）
printf("%d\n", strlen(arr));       // 结果：6（'\0'前共6个字符）

代码4：字符指针指向常量字符串

c 复制代码 
char *p = "abcdef";  // p存储字符串首地址
printf("%d\n", sizeof(p));        // 结果：4/8（指针大小）
printf("%d\n", strlen(p));        // 结果：6（字符串长度）
printf("%d\n", strlen(p+1));      // 结果：5（从'b'开始计数）

4.3 二维数组：行地址与元素地址的嵌套

代码示例：

c 复制代码 
int a[3][4] = {0};  // 3行4列的二维数组
printf("%d\n", sizeof(a));        // 结果：48（3×4×4字节，整个数组大小）
printf("%d\n", sizeof(a[0]));     // 结果：16（第0行数组大小：4×4字节）
printf("%d\n", sizeof(a[0]+1));   // 结果：4/8（第0行第1列元素地址）
printf("%d\n", sizeof(a+1));      // 结果：4/8（第1行的地址，行指针）
printf("%d\n", sizeof(*(a+1)));   // 结果：16（第1行数组大小）
printf("%d\n", sizeof(*a));       // 结果：16（第0行数组大小，*a等价于a[0]）

核心逻辑：

  • 二维数组a可视为"数组的数组"，a[i]是第i行的一维数组名。
  • a表示首行地址（行指针，类型为int(*)[4]），a+1指向第1行。

4.4 指针运算

题目1：数组地址的跨越

c 复制代码 
int a[5] = {1,2,3,4,5};
int *ptr = (int*)(&a + 1);  // &a是数组地址，+1跳过整个数组
printf("%d,%d", *(a+1), *(ptr-1));  // 结果：2,5
  • a+1指向第1个元素（值2），ptr-1指向数组最后一个元素（值5）。

题目2：结构体指针的算术运算

c 复制代码 
struct Test { int Num; char *pcName; short sDate; char cha[2]; short sBa[4]; };
struct Test *p = (struct Test*)0x100000;  // 结构体大小20字节
printf("%p\n", p + 0x1);       // 结果：0x100014（+20字节，指针按结构体大小偏移）
printf("%p\n", (unsigned long)p + 0x1);  // 结果：0x100001（整数+1）
printf("%p\n", (unsigned int*)p + 0x1);  // 结果：0x100004（+4字节，按int*偏移）

题目3：逗号表达式与数组初始化

c 复制代码 
int a[3][2] = { (0,1), (2,3), (4,5) };  // 逗号表达式取右值，等价于{1,3,5}
int *p = a[0];  // p指向第0行第0列
printf("%d", p[0]);  // 结果：1

题目4：二维数组与指针偏移差异

c 复制代码 
int a[5][5];
int(*p)[4] = a;  // p是指向4个int的数组指针
printf("%d", &p[4][2] - &a[4][2]);  // 结果：-4
  • p每次偏移4个int（16字节），a每次偏移5个int（20字节），累计偏移差为-4。

题目5：数组地址与元素地址的转换

c 复制代码 
int aa[2][5] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
int *ptr1 = (int*)(&aa + 1);  // 指向数组后地址
int *ptr2 = (int*)(*(aa + 1));  // 指向第1行首元素
printf("%d,%d", *(ptr1-1), *(ptr2-1));  // 结果：10,5

题目6：指针数组的偏移

c 复制代码 
char *a[] = {"work","at","alibaba"};
char **pa = a;  // pa指向指针数组首元素
pa++;  // 指向第二个元素（"at"）
printf("%s\n", *pa);  // 结果：at

题目7：三级指针的嵌套访问

c 复制代码 
char *c[] = {"ENTER","NEW","POINT","FIRST"};
char **cp[] = {c+3,c+2,c+1,c};
char ***cpp = cp;
printf("%s\n", **++cpp);        // 结果：POINT（cpp指向cp[1]，解引用得c+2）
printf("%s\n", *--*++cpp+3);   // 结果：ER（复杂偏移后指向"ENTER"+3）
printf("%s\n", *cpp[-2]+3);    // 结果：ST（cpp[-2]是cp[0]，指向"FIRST"+3）
printf("%s\n", cpp[-1][-1]+1); // 结果：EW（cpp[-1]是cp[2]，指向"NEW"+1）
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