C Primer Plus 摘錄

第 10 章 數組和指針

10.1 數組

• 數組由數據類型相同的一系列元素組成。

• 通過聲明數組告訴編譯器數組中內含多少元素和這些元素的類型。 編譯器根據這些信息正確地創建數組。

float candy[365];
char code[12];
int states[50];

• 方括弧 [] 表明candy、 code和states都是數組， 方括弧中的數字表明數組中的元素個數。

• 要訪問數組中的元素， 通過使用數組下標數（也稱為索引） 表示數組中
  的各元素。 數組元素的編號從 0 開始。

10.1.1 初始化數組

• 用以逗號分隔的值列表（用花括弧括起來） 來初始化數組，各值之間用逗號分隔。

int powers[8] = {1,2,4,6,8,16,32,64};

• 推薦使用巨集定義數組長度，只需修改 #define 這行代碼即可

• 要創建只讀數組， 應該用 const 聲明和初始化數組

const int days[MONTHS] = {31,28,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31};

• 存儲類別警告：數組和其他變數類似， 可以把數組創建成不同的存儲類別（storage class），第12章將介紹存儲類別的相關內容。本章描述的數組屬於自動存儲類別

• 當初始化列表中的值少於數組元素個數時， 編譯器會把剩餘的元素都初始化為 0。

• 如果初始化列表的項數多於數組元素個數， 編譯器可沒那麼仁慈， 它會毫不留情地將其視為錯誤。

• 如果初始化數組時省略方括弧中的數字， 編譯器會根據初始化列表中的項數來確定數組的大小。

const int days[] = { 31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31 };

• sizeof days 是整個數組的大小（以位元組為單位），sizeof day[0] 是數組中一個元素的大小（以位元組為單位）。整個數組的大小除以單個元素的大小就是數組元素的個數。

10.1.2 指定初始化器（C99）

• C99 增加了一個新特性： 指定初始化器（designated initializer） 。 利用該特性可以初始化指定的數組元素。

• 對於傳統的C初始化語法，要初始化指定元素，則必須同時初始化其之前的所有元素。

int arr[6] = {0,0,0,0,0,212}; // 傳統的語法
int arr[6] = {[5] = 212}; // 把arr[5]初始化為212

• 第一， 如果指定初始化器後面有更多的值， 如該例中的初始化列表中的片段： [4] = 31,30,31， 那麼後面這些值將被用於初始化指定元素後面的元素。
• 第二， 如果再次初始化指定的元素， 那麼最後的初始化將會取代之前的初始化。 如開始時把 days[1] 初始化為 28， 但是 days[1] 又被後面的指定初始化 [1] = 29 初始化為 29。

int days[MONTHS] = { 31, 28, [4] = 31, 30, 31, [1] = 29 };

10.1.3 給數組元素賦值

• 聲明數組後， 可以藉助數組下標（或索引） 給數組元素賦值。

10.1.4 數組邊界

• 在使用數組時， 要防止數組下標超出邊界。 也就是說， 必須確保下標是有效的值。

• 歸功於 C 信任程式員的原則。 不檢查邊界， C 程式可以運行更快。 編譯器不會檢查數組下標是否使用得當。 在C標準中， 使用越界下標的結果是未定義的。 這意味著程式看上去可以運行， 但是運行結果很奇怪， 或異常中止。

10.1.5 指定數組的大小

• 在C99標準之前， 聲明數組時只能在方括弧中使用「整型常量表達式」。 所謂整型常量表達式， 是由整型常量構成的表達式。
• sizeof 表達式被視為整型常量， 但是（與C++不同） const 值不是。 另外， 表達式的值必須大於 0

int n = 5;
int m = 8;
float a1[5]; // 可以
float a2[5*2 + 1]; //可以
float a3[sizeof(int) + 1]; //可以
float a4[-4]; // 不可以， 數組大小必須大於0
float a5[0]; // 不可以， 數組大小必須大於0
float a6[2.5]; // 不可以， 數組大小必須是整數
float a7[(int)2.5]; // 可以， 已被強制轉換為整型常量
float a8[n]; // C99之前不允許
float a9[m]; // C99之前不允許

• C99標準允許這樣聲明， 這創建了一種新型數組， 稱為變長數組（variable-length array） 或簡稱 VLA（C11 放棄了這一創新的舉措， 把VLA設定為可選， 而不是語言必備的特性）。
• C99引入變長數組主要是為了讓C成為更好的數值計算語言。

10.2 多維數組

• 多維數組是這樣一種數組，它是一種數組，它的每個元素也是包含指定元素數量的數組。

float rain[5][12]; // 內含 5 個元素的數組， 每個元素本身是一個內含12個 float 類型值的數組

• 上述聲明中 rain[5] 表明 rain 是一個內含 5 個元素的數組； float [12] 說明每個元素的類型是 float[12]

• rain[i] 是一個內含12個 float 類型值的數組，因此該數組的首元素就是 rain[i][0]，第 2 個元素是rain[0][1] ，以此類推，要訪問第 i 個數組的第 j 個元素（編號從 0 開始）即為 rain[i][j]

• 該二維視圖有助於幫助讀者理解二維數組的兩個下標。 在電腦內部，這樣的數組是按順序儲存的， 從第1個內含12個元素的數組開始， 然後是第2個內含12個元素的數組， 以此類推。

• 遍歷二維數組常用兩個嵌套的 for 迴圈，一個迴圈處理數組的第1個下標， 另一個迴圈處理數組的第2個下標。

10.2.1 初始化二維數組

• 初始化二維數組是建立在初始化一維數組的基礎上。 首先， 初始化一維數組如下：

sometype ar1[5] = {val1, val2, val3, val4, val5};

• 對於二維數組 rain[5][12] ，rain是一個內含 5 個元素的數組， 每個元素又是內含12個 float 類型元素的數組。 所以， 對 rain 而言， val1 應該包含 12 個值， 用於初始化內含 12 個 float 類型元素的一維數組。

const float rain[5][12] =
{ 
    {4.3,4.3,4.3,3.0,2.0,1.2,0.2,0.2,0.4,2.4,3.5,6.6},
    {8.5,8.2,1.2,1.6,2.4,0.0,5.2,0.9,0.3,0.9,1.4,7.3},
    {9.1,8.5,6.7,4.3,2.1,0.8,0.2,0.2,1.1,2.3,6.1,8.4},
    {7.2,9.9,8.4,3.3,1.2,0.8,0.4,0.0,0.6,1.7,4.3,6.2},
    {7.6,5.6,3.8,2.8,3.8,0.2,0.0,0.0,0.0,1.3,2.6,5.2}
};
// 使用了 5 個數值列表(花括弧括起來)，逗號分隔來初始化二維數組
// 第一個列表初始化第一個元素，依次類推。

• 初始化時也可省略內部的花括弧， 只保留最外面的一對花括弧。
• 如果初始化的數值不夠， 則按照先後順序逐行初始化， 直到用完所有的值。

10.2.2 其他多維數組

• 可以把一維數組想象成一行數據， 把二維數組想象成數據表， 把三維數組想象成一疊數據表。

10.3 指針和數組

數組名是數組首元素的地址

• 在 C 中， 指針加 1 指的是增加一個存儲單元。 對數組而言， 這意味著把加 1 後的地址是下一個元素的地址， 而不是下一個位元組的地址（見圖10.3） 。
• 這是為什麼必須聲明指針所指向對象類型的原因之一。只知道地址不夠， 因為電腦要知道儲存對象需要多少位元組（即使指針指向的是標量變數， 也要知道變數的類型， 否則 *pt 就無法正確地取回地址上的值） 。

• 指針的值是它所指向對象的地址。 地址的表示方式依賴於電腦內部的硬體。 許多電腦（包括PC和Macintosh） 都是按位元組編址， 意思是記憶體中的每個位元組都按順序編號。 這裡， 一個較大對象的地址（如double類型的變數） 通常是該對象第一個位元組的地址。

• 在指針前面使用 * 運算符可以得到該指針所指向對象的值。

• 指針加 1， 指針的值遞增它所指向類型的大小（ sizeof type 以位元組為單位）

dates + 2 == &date[2] // 相同的地址
*(dates + 2) == dates[2] // 相同的值

• 以上關係表明瞭數組和指針的關係十分密切， 可以使用指針標識數組的元素和獲得元素的值。 從本質上看， 同一個對象有兩種表示法。 定義 ar[n] 的意思是 *(ar + n)。 可以認為 *(ar + n) 的意思是“到記憶體的 ar 位置， 然後移動 n 個單元， 檢索儲存在那裡的值”。

• 不要混淆 *(dates+2) 和 *dates+2。 間接運算符 * 的優先順序高於 +， 所以 *dates+2 相當於 (*dates)+2

明白了數組和指針的關係， 便可在編寫程式時適時使用數組表示法或指針表示法。

指針表示法和數組表示法是兩種等效的方法。編譯器編譯這兩種寫法生成的代碼相同。

10.4 函數、 數組和指針

• 數組名是該數組首元素的地址，所以數組作為函數的參數時，第一個參數是數組名，也就是第一個元素的地址，它是一個指針類型，第二個參數是數組的大小，它是一個整型變數。

第1個形參告訴函數該數組的地址和數據類型， 第2個形參告訴函數該數組中元素的個數

int sum(int* ar, int n);

• 只有在函數原型或函數定義頭中，才可以用 int ar[] 代替 int *ar：
  • int *ar 形式和 int ar[] 形式都表示 ar 是一個指向 int 的指針。 但是，int ar[] 只能用於聲明形式參數。 第 2 種形式 int ar[] 提醒讀者指針 ar 指向的不僅僅一個 int 類型值， 還是一個 int 類型數組的元素

int sum (int ar[], int n);

• 下麵 4 中原型是等價的：

int sum(int *ar, int n);
int sum(int *, int);
int sum(int ar[], int n);
int sum(int [], int);

• 我們的系統中用 8 位元組儲存地址， 所以指針變數的大小是 8位元組（其他系統中地址的大小可能不是8位元組） 。

10.4.1 使用指針形參

• 函數要處理數組必須知道何時開始、 何時結束。

還有一種方法是傳遞兩個指針， 第1個指針指明數組的開始處（與前面用法相同） ， 第2個指針指明數組的結束處。

int sump(int* start, int* end)
{
    int total = 0;
    while(start < end)
    {
        total += *start;// 把數組元素的值加起來
        start++;
    }
    return total;
}

• while迴圈的測試條件是一個不相等的關係， 所以迴圈最後處理的一個元素是end所指向位置的前一個元素。 這意味著end指向的位置實際上在最後一個元素的後一個位置。

// 因為下標從0開始， 所以 marbles + SIZE 指向數組末尾的下一個位置。
answer = sump(marbles, marbles + SIZE);

• 可以把迴圈體壓縮成一行代碼：total += *start++; 一元運算符 * 和 ++ 的優先順序相同， 但結合律是從右往左， 所以 start++ 先求值， 然後才是*start。

  10.4.2 指針表示法和數組表示法

• 處理數組的函數實際上用指針作為參數， 但是在編寫這樣的函數時， 可以選擇是使用數組表示法還是指針表示法。

• ar[i] 和 *(ar+1) 這兩個表達式都是等價的。 無論 ar 是數組名還是指針變數， 這兩個表達式都沒問題。 但是， 只有當 ar 是指針變數時， 才能使用 ar++ 這樣的表達式。

• 指針表示法（尤其與遞增運算符一起使用時） 更接近機器語言， 因此一些編譯器在編譯時能生成效率更高的代碼。然而， 許多程式員認為他們的主要任務是確保代碼正確、 邏輯清晰， 而代碼優化應該留給編譯器去做。

10.5 指針操作

指針變數的 9 種基本操作

• 賦值： 可以把地址賦給指針。

• 解引用： * 運算符給出指針指向地址上儲存的值。

• 取址： 和所有變數一樣， 指針變數也有自己的地址和值。

• 指針與整數相加： 可以使用 + 運算符把指針與整數相加， 或整數與指針相加。如果相加的結果超出了初始指針指向的數組範圍， 計算結果則是未定義的。

  • 整數都會和指針所指向類型的大小（以位元組為單位）相乘， 然後把結果與初始地址相加。

• 遞增指針： 遞增指向數組元素的指針可以讓該指針移動至數組的下一個元素。

• 指針減去一個整數： 可以使用-運算符從一個指針中減去一個整數。指針必須是第1個運算對象， 整數是第 2 個運算對象。

  • 該整數將乘以指針指向類型的大小（以位元組為單位） ， 然後用初始地址減去乘積。

• 遞減指針： 當然， 除了遞增指針還可以遞減指針。

• 指針求差： 可以計算兩個指針的差值。 通常， 求差的兩個指針分別指向同一個數組的不同元素， 通過計算求出兩元素之間的距離。 **差值的單位與數組類型的單位相同，如 ptr2 - ptr1 得 2， 意思是這兩個指針所指向的兩個元素相隔兩個 int ， 而不是 2 位元組。

• 比較： 使用關係運算符可以比較兩個指針的值， 前提是兩個指針都指向相同類型的對象。

• 在遞增或遞減指針時還要註意一些問題。 編譯器不會檢查指針是否仍指向數組元素。

• 千萬不要解引用未初始化的指針。在使用指針之前， 必須先用已分配的地址初始化它。 例如， 可以用一個現有變數的地址初始化該指針（使用帶指針形參的函數時， 就屬於這種情況） 。或者還可以使用第 12 章將介紹的 malloc() 函數先分配記憶體。

指針的第 1 個基本用法是在函數間傳遞信息。前面學過， 如果希望在被調函數中改變主調函數的變數， 必須使用指針。 指針的第 2 個基本用法是用在處理數組的函數中。