零基础入门C语言之深入了解指针2

阅读本文之前，希望读者先阅读一下本专栏内前面的文章。

目录

前言

一、数组名的理解与指针访问数组

二、一维数组传参本质

三、冒泡排序

四、二级指针

五、指针数组

总结

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前言

本文接着上篇文章，继续介绍关于指针的知识。

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一、数组名的理解与指针访问数组

我们在上一篇文章中使用指针访问数组的内容时，出现了如下的代码：

int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
int *p = &arr[0];

我们在这里使用&arr[0]的方式拿到了数组的第一个元素的地址，但是其实数组名本身就是地址，并且是数组首元素的地址，我们来简单测试一下：

#include <stdio.h>
int main()
{
 int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
 printf("&arr[0] = %p\n", &arr[0]);
 printf("arr = %p\n", arr);
 return 0;
}

其结果如下：

这就证明了确实数组名的确实表示数组第一个元素的地址。但是这时候可能读者会有疑问，如果数组名是数组首元素的地址，那我们该如何理解下面的代码呢？

#include <stdio.h>
int main()
{
 int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
 printf("%d\n", sizeof(arr));
 return 0;
}

其运行结果如下：

如果说数组名是数组首元素的地址的话，那这里不应该显示的是指针类型的大小吗？这是不是说明我们之前的说法是错误的呢？不，我们之前的说法是正确的，但是它有两个例外：

第一个例外是sizeof(数组名)，sizeof中单独放入数组名的话，这里面的数组名表示的是整个数组，计算的是整个数组的大小，单位是字节；第二个例外是&数组名，这里的数组名也表示整个数组，取出的是整个数组的地址，这与数组首元素的地址是有区别的。

我们键入如下的代码：

#include <stdio.h>
int main()
{
 int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
 printf("&arr[0] = %p\n", &arr[0]);
 printf("arr = %p\n", arr);
 printf("&arr = %p\n", &arr);
 return 0;
}

其结果如下：

我们发现三者的值一模一样，那岂不是说这三个东西不就是一个意思吗？这是不对的，如果说仅仅从值的角度来看，三者确实相等，但我们再运行下面这个代码试试：

#include <stdio.h>
int main()
{
 int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
 printf("&arr[0] = %p\n", &arr[0]);
 printf("&arr[0]+1 = %p\n", &arr[0]+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;
}

我们得到的结果如下：

可以看到，&arr[0]+1和&arr[0]相差了四个字节，arr和arr+1相差了四个字节，这是因为二者都是首元素的地址，+1就是跳过一个元素而已。但是&arr和&arr+1相差了四十个字节，这就说明&arr是数组的地址，+1跳过了整个数组。

那么有了上面的知识基础，结合数组的特点，我们就可以很方便的访问数组了：

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

其结果如下：

那我们做一些细微的改动，在刚才的实践过程中，我们可以说明上面代码的p就是arr，那我可不可以把p+i换成arr+i呢？我们换一下试试：

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

其运行结果如下：

证明是可行的！那既然如此的话，我们知道访问数组的时候使用arr[i]是可以的，那会不会也存在p[i]呢？我们也可以试试：

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

其结果如下：

证明这也是可行的！

那么就总结说明一下：本质上p[i]是等价于*(p+i)的，arr[i]是等价于*(arr+i)的。数组元素的访问在编译器处理的时候，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。

我们再来一个很匪夷所思的更改，有些颠覆认知，我们试试把arr[i]改写成i[arr]可以吗？键入如下的代码：

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

其运行结果如下：

天呐......这竟然也运行成功了，这是为什么呢？这就涉及到了我们刚才说的编译器是如何访问数组内元素的，这两种形式的访问过程分别是这样的：

arr[i] == *(arr + i)
i[arr] == *(i + arr)

这不就是一个简单的三年级小学生都会的加法交换律吗？？？？所以二者其实本质上是相同的。只不过是两个操作数的运算顺序发生了无伤大雅的调换而已。需要注意的是，尽管这种形式是可以的，但是我们极其不推荐后面这种写法，正常使用常规写法即可！！！！

二、一维数组传参本质

在学习过数组之后，我们知道数组可以传递给函数，那么数组传参的本质究竟是什么呢？首先我们先来思考一个问题，我们之前都是在函数外部去计算数组的元素个数，那我们可不可以把数组先传递给函数，然后在函数内部进行计算呢？很简单，我们将二者都实现一下，然后比对两个值就可以了：

#include <stdio.h>
void test(int arr[])
{
 int sz2 = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);
 printf("sz2 = %d\n", sz2);
}
int main()
{
 int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
 int sz1 = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);
 printf("sz1 = %d\n", sz1);
 test(arr);
 return 0;
}

其结果运行如下：

可以看到，在函数内部没有正常获得数组内元素的个数。那么这到底是为什么呢？这是因为在向函数传递数组时，我们虽然输入的是数组名，但是它并不在我们上面所说的那两个例外的范畴中，所以我们的数组名代表的含义就是数组首元素的地址，那么传送到函数内部之后，由于我这是64位的环境，指针类型的大小是8字节，故而算得sz大小为2。

我们再次键入如下的代码：

void test(int arr[])//参数写成数组形式，本质上还是指针
{
 printf("%d\n", sizeof(arr));
}
void test(int* arr)//参数写成指针形式
{
 printf("%d\n", sizeof(arr));//计算⼀个指针变量的⼤⼩
}
int main()
{
 int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
 test(arr);
 return 0;
}

我们先测试第一种形式：

根据结果，我们可以看出，虽然它写成了数组的形式，但是它本质上还是指针，即使在[]中有确切的数字，也不会有任何的变化。

我们再测试一下第二种形式：

相对来说，这第二种形式是比较直接的，它直接向我们交代了我们就是传的指针，所以最后的结果就是指针变量的大小。

所以我们此时就可以得出结论，数组传参的本质就是传递了数组首元素的地址，所以形参访问的数组和实参的数组是同一个数组。形参的数组是不会单独再创建数组空间的，所以形参的数组是可以省略数组大小的。

三、冒泡排序

我们有很多很多的排序算法，比如说冒泡排序、插入排序、选择排序、快速排序、希尔排序和堆排序等等等等，我们这里先介绍相对来说比较简单的一种，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。我们会进行两层循环，第一个循环是为了确定趟数，我们的每一趟都能让至少一个数据到达正确的位置，第二个循环则是为了保证将这个数据移动到正确的位置上，我们可以如下举例：

输入一个倒序排序数组：
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
它会经历如下过程：
8 9 7 6 5 4 3 2 1 0
8 7 9 6 5 4 3 2 1 0
8 7 6 9 5 4 3 2 1 0
...................
8 7 6 5 4 3 2 1 0 9
然后以此类推下去

最终我们会得到正序排序的数组。那我们思考一下大概如何实现这个代码呢？我给出一个示例代码：

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 j = 0;
 for(j=0; j<sz-i-1; j++)
 {
 if(arr[j] > arr[j+1])
 {
 int tmp = arr[j];
 arr[j] = arr[j+1];
 arr[j+1] = tmp;
 }
 }
 }
}
int main()
{
 int arr[] = {3,1,7,5,8,9,0,2,4,6};
 int sz = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);
 bubble_sort(arr, sz);
 int i = 0;
 for(i=0; i<sz; i++)
 {
 printf("%d ", arr[i]);
 }
 return 0;
}

其运行结果如下：

这个代码也是成功了，但是我们现在来思考一个问题，就是这个代码有没有什么可以优化的地方呢？换句话说，这个代码有没有一些问题呢？我们设想一个稍微极端一些的例子，如果说我这组数据一共有十个，但是我其中的九个都已经是正确的顺序了，只有一个不正确，比如如下的情况：

0 1 2 3 5 4 6 7 8 9

如果说我们依旧采用上面的算法，显而易见，我们还是和操作一个完全乱序的数组一样，会运行相同的过程，但是这中间有大量的过程都是无效且冗余的，那么我们能不能设立一个机制，就是判断一下我即将运行的这趟过程是不是有序了，如果有序我就不需要进入第二个循环了。基于上面这种想法，我们可以对代码作出如下的优化：

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;
 }
}

四、二级指针

我们知道，指针变量其本质来说也是变量，既然是变量就一定会有地址，那么指针变量的地址我们存放在哪里呢？答案就是二级指针。我们用下面这个图来进行说明：

可以看到我们将变量a的地址存放在了一级指针pa之中，pa又有着自己的地址，我们又把这个地址存放在了一个二级指针之中，这样我们在解引用的时候就能够找到这个一级指针的地址了。既然有二级指针，那么肯定还会有多级指针，只不过是一层一层类推下去就可以了。对于二级指针来说，存在如下的运算形式：

int b = 20;
*ppa = &b;//等价于pa = &b
**ppa = 30;
//等价于*pa = 30;
//等价于a = 30;

这样就是说*ppa通过对ppa的地址进行解引用，找到的就是pa，而*ppa其实访问的就是pa。*ppa先通过*ppa找到pa，然后对pa进行解引用操作那就会得到a。

五、指针数组

在介绍这个概念之前，我们需要先想一个问题，指针数组究竟是指针还是数组？我们之前见过各种各样的数组，整型数组中存放的都是整型元素，字符数组中存放的都是字符元素，那么同理来说指针数组本质来说还是一个数组，只不过它其中的元素都是指针而已。就类似于下面这个图：

我们指针数组中的每个元素都是一个指针，用于表示地址，而这每个地址又可以指向一个区域。但是这到底有什么用呢？我们可以借用这个概念来模拟一个二维数组！

我们键入如下的代码：

#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*的，就可以存放在parr数组中
 int* parr[3] = {arr1, arr2, arr3};
 int i = 0;
 int j = 0;
 for(i=0; i<3; i++)
 {
 for(j=0; j<5; j++)
 {
 printf("%d ", parr[i][j]);
 }
 printf("\n");
 }
 return 0;
}

其运行结果如下：

我们画图进行演示一下：

parr[i]是访问parr数组的元素，它能够找到的数组元素指向了一个整型一维数组，parr[i][j]就是其中的一个元素。我们上面的代码模拟出二维数组的效果，但实际上并非完全是二维数组，因为它每一行并非连续。

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总结

本文深入探讨了指针与数组的关系，主要内容包括： 数组名的本质是数组首元素地址，但存在两个例外（sizeof单独使用和&数组名操作）；数组传参的本质是传递首元素地址，形参接收的是指针而非完整数组；通过冒泡排序示例展示了指针在算法中的应用，并提出了优化方案；介绍了二级指针的概念及其运算方式；解析了指针数组的特性及其模拟二维数组的应用。文章通过大量代码示例，直观展示了指针与数组的密切关系，特别揭示了数组访问的本质是首地址加偏移量的指针运算，为深入理解指针和数组提供了实践指导。