C语言从入门到实战——基于指针的数组与指针数组

C语言从入门到实战——基于指针的数组与指针数组

指针的数组是指数组中的元素都是指针类型，它们指向某种数据类型的变量。基于指针的数组（Array of Pointers）和指针数组（Pointer to Array）是两种常见的C/C++语言中的数据结构，它们在内存布局和使用方式上有所不同。

前言

基于指针的数组是一个数组，其元素是指针，每个指针可以指向不同地址的数据。这种结构常用于存储指向不同对象的指针，例如字符串或动态分配的内存块。

指针数组则是一个指针，它指向一个数组。这个指针固定指向数组的首地址，通过数组索引可以访问数组中的元素。这种结构常用于操作整个数组，例如作为函数参数传递数组。

两种结构的选择取决于具体的应用场景，需要根据实际需求和数据结构的特点来决定使用哪种方式。

1. 数组名的理解

我们在使用指针访问数组的内容时，有这样的代码：

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

这里我们使用 &arr[0] 的方式拿到了数组第一个元素的地址，但是其实数组名本来就是地址，而且是数组首元素的地址，我们来做个测试。

#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 = %p\n", arr);
    return 0;
}

输出结果：

我们发现数组名和数组首元素的地址打印出的结果一模一样，数组名就是数组首元素(第一个元素)的地址。

这时候有读者可能会有疑问？数组名如果是数组首元素的地址，那下面的代码怎么理解呢？

#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;
}

输出的结果是：40，如果 arr 是数组首元素的地址，那输出应该的应该是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。

可以再试一下这个代码：

#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;
}

三个打印结果一模一样，这时候又纳闷了，那 arr 和 &arr 有啥区别呢？

#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;
}

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，是因为 &arr[0] 和 arr 都是首元素的地址，+1就是跳过一个元素。

但是 &arr 和 &arr+1 相差40个字节，这就是因为 &arr 是数组的地址，+1操作是跳过整个数组的。

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2个例外。

2. 使用指针访问数组

有了前面知识的支持，再结合数组的特点，我们就可以很方便的使用指针访问数组了。

#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;
}

这个代码搞明白后，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 在这里等价。那我们可以使用 arr[i] 可以访问数组的元素，那 p[i] 是否也可以访问数组呢？

#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]);//我们也可以使用i[p] ，编译器会编译成*（i + P) 和* (p + i )同理
    }
    return 0;
}

在第18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] 是等价于 *(p+i)。

同理 arr[i] 应该等价于 *(arr+i)，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，然后解引用来访问的。

3. 一维数组传参的本质

数组是可以传递给函数的。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，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] = {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;
}

输出的结果：

我们发现在函数内部是没有正确获得数组的元素个数。

这就要学习数组传参的本质了，上篇文章我讲了：数组名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，也就是说本质上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使用指针变量来接收首元素的地址。那么在函数内部我们写 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是本质是指针，所以在函数内部是没办法求的数组元素个数的。

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;
}

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。

4. 冒泡排序

冒泡排序的核心思想就是：两两相邻的元素进行行比较。

//方法1
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);
    for(i=0; i<sz; i++)
    {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    return 0;
}
//方法2 - 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;
    }
}
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);
    for(i=0; i<sz; i++)
    {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    return 0;
}

5. 二级指针

指针变量也是变量，是变量就有地址，那指针变量的地址存放在哪里——二级指针

对于二级指针的运算有：

• *ppa 通过对 ppa 中的地址进行解引用，这样找到的是 pa，*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：*pa，那找到的是 a

int b = 20;
*ppa = &b; //等价于 pa = &b;

**ppa = 30;
//等价于*pa = 30;
//等价于a = 30;

6. 指针数组

指针数组是指针还是数组

我们类比一下，整型数组，是存放整型的数组，字符数组是存放字符的数组。

那指针数组呢？是存放指针的数组。

指针数组的每个元素都是用来存放地址（指针）的。

如下图：

指针数组的每个元素是地址，又可以指向一块区域。

7. 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*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;
}

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。

上述的代码模拟出二维数组的效果，实际上并非完全是二维数组，因为每一行并非是连续的。