C语言编程学习：多级指针与多维数组

# 使用指针访问数组

指针类型的加减运算可以使指针内保存的首地址移动。 指针类型加n后。首地址向后移动 n * 步长 字节。 指针类型减n后。首地址向前移动 n * 步长 字节。 步长为指针所指向的类型所占空间大小。 例如：

int *p = (int *)100;

• p + 1，结果为首地址向后移动sizeof(int)字节，即104。
• p - 1，结果为首地址向前移动sizeof(int)字节，即96。

因此，指针加减运算对于访问在内存中连续排布的数据对象非常方便。 而数组这种数据对象，每个元素在内存中一定是连续排布的。下面，我们来探究怎样使用指针访问数组。

使用第一个元素获取数组首地址

既然数组元素在内存中的存储可以保证是连续的，那么第一个元素的首地址，就是整个数组的首地址。

#include 
int main()
{
    int arr[5] = { 111, 222, 333, 444, 555 };
    int* p = &arr[0];
    printf("%dn", *p); // 第1个元素
    printf("%dn", *(p + 1)); // 第2个元素
    printf("%dn", *(p + 2)); // 第3个元素
    printf("%dn", *(p + 3)); // 第4个元素
    printf("%dn", *(p + 4)); // 第5个元素
    return 0;
}

我们可以使用取地址运算符&，获取第一个元素的首地址和空间大小，即获取一个 int * 类型的指针。 通过取值运算符*，可以使用指针中的首地址和空间大小访问或修改目标数据对象。

表达式 p + 1 必须先被括号包裹，再使用取值运算符*。

这是因为取值运算符的优先级高于算术运算符。 我们需要先让首地址移动，再进行取值操作。 若不使用括号，p会先被取值，之后值再被加1。

• 不使用括号：
• p的值为111，p + 1的结果为112。
• 使用括号：
• (p + 1) 使得首地址移动到第二个元素， *(p + 1) 得到结果为222。

使用数组名获取数组首地址

#include 
int main()
{
    int arr[5] = { 111, 222, 333, 444, 555 };
    int* p = arr;
    printf("sizeof arr = %dn", sizeof(arr));
    printf("sizeof p = %dn", sizeof(p));
    printf("sizeof arr + 1 = %dn", sizeof(arr + 1));
    return 0;
}

使用32位进行编译

sizeof arr = 20
sizeof p = 4
sizeof arr + 1 = 4

arr 的大小为20。 p 的大小为4。 arr + 1 的大小为4。 p 是一个指针大小为4是理所当然的。 但是 arr 的大小为20，那么arr应该不是一个指针类型才对，但是它却又可以成功赋值给 int * 。 而 arr + 1 的大小却又为4。

类型为“以T为元素的数组arr”与“指向T的指针p”的关系。

当数组名arr出现在一个表达式当中，数组名arr将会被转换为指向数组第一个元素的指针。但是，这个规则有两个例外：

• 对数组名arr使用sizeof时。
• 对数组名arr使用&时。

也就是说，数组名arr的类型其实是 int [5] ，因此 sizeof(arr) 的结果才会是20。 数组名arr出现在表达式int* p = arr中，会被转换为指向数组第一个元素的指针，即 int [5] 转为 int * 类型。之后进行赋值运算。 arr + 1 也是一个表达式，数组名 arr 被转换为 int * 类型，进行加法运算后，仍然为 int * 类型。

使用指针访问数组等价于下标访问

现在我们学会了访问数组元素的两种办法：

• 数组名[下标]
• *(数组名 + 偏移量)

其中，偏移量就是指针指向的地址与数组首地址之间相差几个元素。 事实上，这两种形式是等价的。 中括号 [] ，被称作下标运算符，它的优先级高于一切其他运算符。通常的形式为：

A[k]

而表达式运算时，最终会将下标运算符展开为：

*(A + k)

测试一下

#include 
int main()
{
    int arr[5] = { 111, 222, 333, 444, 555 };
    printf("arr[2] = %dn", arr[2]);
    printf("2[arr] = %dn", 2[arr]);
    printf("*(arr + 2) = %dn", *(arr + 2));
    return 0;
}

• arr[2] 展开为 *(arr + 2) 。
• 2[arr] 展开为 *(2 + arr) 。

因此，使用指针访问数组等价于下标访问。

指针作为参数传递

形参与实参相互独立

#include 
void swap(int x, int y)
{
    // 打印x，y的首地址
    printf("&x= %un", &x);
    printf("&y= %un", &y);
    int temp = x;
    x = y;
    y = temp;
}
int main()
{
    int a, b;
    int temp;
    a = 1;
    b = 2;
    // 打印a，b的首地址
    printf("&a= %un", &a);
    printf("&b= %un", &b);
    // 交换a，b变量
    swap(a, b);
    return 0;
}

分析过程

将指针作为参数传递

#include 
void swap(int* x, int* y)
{
    int temp = *x;
    *x = *y;
    *y = temp;
}
int main()
{
    int a, b;
    int temp;
    a = 1;
    b = 2;
    printf("a=%d b=%dn", a, b);
    // 交换a，b变量
    swap(&a, &b);
    printf("a=%d b=%dn", a, b);
    return 0;
}

不是交换指针x，y的值，而是交换目标数据对象a，b的值。所以，需要在指针前使用取值运算符*

为何在使用 scanf 函数时，需要对变量先取地址再传入参数

int n;
scanf("%d", &n);

scanf 会从读取从键盘的输入，转换后存储到变量n当中。被调函数 scanf 无法直接修改在主调函数中的变量n。因此，我们将变量n的指针传入 scanf 函数。通过指针使得被调函数间接地修改主调函数中的变量

指针不仅仅是首地址

再次强调，指针内保存的不仅仅是目标数据对象首地址，指针的类型也非常重要。 要在内存中找到一个数据对象，需要有以下两个信息。

• 数据对象的首地址。
• 数据对象占用存储空间大小。

指针的值保存着数据对象首地址，指针类型对应着目标数据对象的类型，用于标记目标数据对象的空间大小和指针运算时的步长。

仅有首地址的指针类型void *

由于指针类型定死了指针所指向的数据类型。为了让函数可以交换更多的数据类型，我们仅需要指针类型中保存的首地址，目标数据大小通过额外的参数传入。

• 不同指针类型不能相互赋值，相互赋值后会造成目标数据对象类型的改变，无法通过编译。
• void* 类型为特例，它可以接受任意指针类型的赋值，也可以赋值给任意类型的指针。

void swap(void* x, void* y, int size)
{
    // 指针转为char *，单个字节操作内存
    char* pX = (char*)x;
    char* pY = (char*)y;
    char temp;
    for (int i = 0; i < size; i++)
    {
        temp = pX[i];
        pX[i] = pY[i];
        pY[i] = temp;
    }
}

由于 void _ 不能取值和加减，所以我们将其转换为 char _ 。 char * 可以提供单个单个操作内存的能力。 在C语言中 void *类型不但可以接受任意类型的指针，也可以自动转换为任意类型的指针。 但在C++中，规则稍微严格了一点， void * 仅能接受任意类型的指针，不能自动转换为其他类型的指针。为了保证代码的兼容性，我们将 void * 强制转为 char * ，避免在C++中编译出错。

char *pX = (char *)x;
char *pY = (char *)y;

多级指针与指针数组

int * 的指针的类型为 int **

int **p; // 正确
int**p; // 正确
int* *p; // 正确
int * *p; // 正确
int * * p; // 正确

二级指针为例

#include 
int main()
{
    int n = 123;
    int* pn = &n;
    int** pnn = &pn;
    printf("**pnn = %dn", **pnn);
    return 0;
}

取地址过程

• 对n使用取地址运算符，获得n的指针pn，类型为 int * 。
• 对pn使用取地址运算符，获得pn的指针pnn，类型为 int ** 。

取值过程

• 对pnn使用取值运算符，将 int ** 还原为 int * 。
• 对_pnn使用取值运算符，将 int _ 还原为 int 。即，还原为n。

指针数组

p ，指向 pToArr 的第一个元素，类型为 int ** 。
*p ，指向 arr1 的第一个元素，类型为 int * 。
*p + j ，指向 arr1 中的第j个元素，类型为 int * 。
*(*p + j) ，为 arr1 中的第j个元素。

多维数组名与指针

数组指针的移动

#include 
int main()
{
    int b[5][10] =
    {
        {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9},
        {10,11,12,13,14,15,16,17,18,19},
        {20,21,22,23,24,25,26,27,28,29},
        {30,31,32,33,34,35,36,37,38,39},
        {40,41,42,43,44,45,46,47,48,49},
    };
    int(*pInt10)[10] = b;   // int[5][10]转为int (*)[10]
    int(*pInt) = *pInt10;   // *pInt10从int[10]转换为int *
    printf("pInt[0]=%dn", pInt[0]);    // 等价于*(pInt + 0)
    printf("pInt[1]=%dn", pInt[1]);    // 等价于*(pInt + 1)
    printf("pInt[2]=%dn", pInt[2]);    // 等价于*(pInt + 2)
    printf("pInt[3]=%dn", pInt[3]);    // 等价于*(pInt + 3)
    printf("pInt[4]=%dn", pInt[4]);    // 等价于*(pInt + 4)
    printf("pInt[5]=%dn", pInt[5]);    // 等价于*(pInt + 5)
    printf("pInt[6]=%dn", pInt[6]);    // 等价于*(pInt + 6)
    printf("pInt[7]=%dn", pInt[7]);    // 等价于*(pInt + 7)
    printf("pInt[8]=%dn", pInt[8]);    // 等价于*(pInt + 8)
    printf("pInt[9]=%dn", pInt[9]);    // 等价于*(pInt + 9)
    printf("pInt[10]=%dn", pInt[10]);  // 等价于*(pInt + 10)
    return 0;
}

另一种结果相同的表达

#include 
int main()
{
    int b[5][10] =
    {
        {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9},
        {10,11,12,13,14,15,16,17,18,19},
        {20,21,22,23,24,25,26,27,28,29},
        {30,31,32,33,34,35,36,37,38,39},
        {40,41,42,43,44,45,46,47,48,49},
    };
    int(*pInt10)[10] = b;   // int[5][10]转为int (*)[10]
    printf("*pInt10[0]=%dn", (*pInt10)[0]);    // pInt10先从int(*)[10]转为int *，再通过下标访问
    printf("*pInt10[1]=%dn", (*pInt10)[1]);
    printf("*pInt10[2]=%dn", (*pInt10)[2]);
    printf("*pInt10[3]=%dn", (*pInt10)[3]);
    printf("*pInt10[4]=%dn", (*pInt10)[4]);
    printf("*pInt10[5]=%dn", (*pInt10)[5]);
    printf("*pInt10[6]=%dn", (*pInt10)[6]);
    printf("*pInt10[7]=%dn", (*pInt10)[7]);
    printf("*pInt10[8]=%dn", (*pInt10)[8]);
    printf("*pInt10[9]=%dn", (*pInt10)[9]);
    printf("*pInt10[10]=%d", (*pInt10)[10]);
    return 0;
}

输出结果

*pInt10[0]=0
*pInt10[1]=1
*pInt10[2]=2
*pInt10[3]=3
*pInt10[4]=4
*pInt10[5]=5
*pInt10[6]=6
*pInt10[7]=7
*pInt10[8]=8
*pInt10[9]=9
*pInt10[10]=10

由于下标运算符[]的优先级比取值运算符*的优先级高。我们想要pInt10先从int (*)[10]转为int *，再通过下标访问。所以，需要用括号让取值先进行。

如果数组名B出现在表达式中，会从int[5][10]转为int (*)[10]。 *B又可以看作*(B + 0)，所以*B等价于B[0]。

对数组取地址

当数组名arr出现在一个表达式当中，数组名arr将会被转换为指向数组首元素的指针。但是，这个规则有两个例外：

• 对数组名arr使用sizeof时。
• 对数组名arr使用&时。

现在开始讨论第二个例外。

int arr[10];
&arr;

arr的类型为int[10]，而对数组使用取地址运算符&。触发第二个例外，数组不会进行类型转换，而是直接取地址。

• 对int取地址为int (*)类型的指针。
• 对int[10]取地址为int (*)[10]类型的指针。

#include 
int main()
{
    int arr[10];
    int(*pInt10)[10] = &arr;
    printf("pInt10=%un", pInt10);
    printf("pInt10+1=%un", pInt10 + 1);
    return 0;
}

pInt10是类型int (*)[10]类型的数组指针，步长为40。

pInt10=7601480
pInt10+1=7601520

如果再对pInt10取地址呢？

• 对int[10]类型的数组取地址为int (*)[10]类型的数组指针，它指向int[10]的数组。
• 对int (*)[10]类型的数组指针取地址为int (**)[10]的二级指针，它指向int(*)[10]的指针。

注意&&arr是不对的，&arr确实可以获得一个指针。但是，这个指针是一个临时数据对象，应当将其赋值给变量才能保存它的值。

指针与三维数组示例

#include 
int main()
{
    int S[2][5][10] = {
    {{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9},
    {10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19},
    {20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29},
    {30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39},
    {40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49}},
    {{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9},
    {10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19},
    {20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29},
    {30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39},
    {40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49}}
    };
    // 访问元素S[1][2][3]
    printf("S[1][2][3] = %d", *(*(*(S + 1) + 2) + 3));
    return 0;
}

分析

S + 1 类型为 int(*)[5][10] 的指针。
*(S + 1) 类型为 int[5][10] 的数组。
*(S + 1) + 2 类型为 int(*)[10] 的指针。
*(*(S + 1) + 2) 类型为 int[10] 的数组。
*(*(S + 1) + 2) + 3 类型为 int(*) 的指针。
*(*(*(S + 1) + 2) + 3) 类型为 int 的整型。

也可以故意将表达式结果赋值给一个无法转换的变量。让报错信息告诉我们表达式结果具体的类型

验证

指针的大小为4，整型的大小为4。 int[5][10] 数组的大小为200。 int[10] 数组的大小为40。

对数组取地址

对 int[2][5][10] 取地址为 int (*)[2][5][10] 类型的指针。

多级指针应用

从函数中返回指针

return关键词可以从被调函数中返回一个值到主调函数。 现在我们尝试让它返回一个指针到主调函数中。

#include 
int* func()
{
    int n = 100;
    return &n;
}
int main()
{
    int* p = func();
    printf("%dn", *p);
    return 0;
}

我们在函数 func 中定义了变量n。接着return &n;取得变量n的指针，并返回到main函数。 main函数收到返回值后赋值给p，并使用指针p来访问变量n。

这个程序看似正确，并且可以通过编译。但是，却存在潜在问题。 这是因为函数结束后，函数内部的变量也会被回收。所以，变量 n 已经失效了。再去访问它有可能正常，也有可能得到一些无意义的值或者引发错误。 这样设计的原因是因为函数与函数之间的变量是独立的，即使是同一个函数多次运行，这些变量也是独立的。在函数返回后，函数内的变量没有继续存在的意义了。所以，函数内的变量将被回收，回收后的内存空间将给接下来运行的函数使用。 如果不想让变量被回收，那么可以在变量前加上关键词**static**

int* func()
{
    static int n = 100; // 关键词static让变量n不被回收
    n++; // 变量n自增
    return &n;
}
#include 
int main()
{
    int* p = func();
    printf("%dn", *p);
    func();
    printf("%dn", *p);
    func();
    printf("%dn", *p);
    func();
    printf("%dn", *p);
    func();
    printf("%dn", *p);
    return 0;
}

现在函数 func 结束后，变量n不会被回收了。并且，重复调用func函数，使用的是同一个地址上的变量n。 因此，我们只需获取一次变量n的地址，即可观察到变量n每次调用函数都被自增。

从函数中返回多个变量

将指针的指针，也就是二级指针作为参数传入函数。即可让被调函数“返回”多个指针。

void func(int** a, int** b)
{
    static int x = 100;
    static int y = 200;
    *a = &x;
    *b = &y;
}
#include 
int main()
{
    // 两个指针，初始化为空
    int* a = NULL;
    int* b = NULL;
    func(&a, &b); // 将指针的指针传入被调函数
    if (a != NULL && b != NULL)
        printf("a=%d b=%dn", *a, *b);
    return 0;
}

在main函数中，声明两个指针并把它们初始化为 NULL 。 **NULL** 是一个由 **#define NULL 0** 定义的符号常量。 将指针初始化为NULL，也就是将指针内保存的地址设置为0。 让指针初始化为零是一个非常好的编码习惯。 一般结合指针判空，即 if (a != NULL && b != NULL) ，来判断指针是不是有一个正确的指向了。 调用函数 func 后，两个指针均被修改为有效指针，即非0。 我们通过判断指针是不是非零来确定函数 func 已经给指针赋值了。 若指针仍然为0，则说明函数 func 并未给指针赋值，不可以使用没有明确指向的指针。 函数 func 内部， &x 、 &y 取得变量 x 、 y 的指针，类型为 int * 。 在被调函数内，为了修改主调函数中的变量，先对二级指针 a、b 取值，将 int ** 转换为 int * ，再赋 值一个 int 给它。 类似于使用一级指针作为参数时，先对一级指针 a、b 取值，将 int * 转换为 int ，再赋值一个 int 给它。