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C语言指针的运算

本文讨论使用指针进行的运算,最重要的运算是获取指针所引用的对象或函数。也可以比较指针,使用指针来遍历一个内存区域。

使用指针读取与修改对象

间接运算符 * 生成内存中的位置,该位置的地址存储在一个指针中。如果 ptr 是一个指针,那么 *ptr 就是 ptr 所指向的对象(或函数)。

使用间接运算符有时候被称为解引用(dereferencing)一个指针。指针指向的内存位置被认为存储有一个对象,指针的类型决定了该对象的类型。例如,当用 int 指针获取一个特定内存位置,读出或写入的也是 int 类型的对象。

与乘法运算符 * 不同,间接运算符 * 是一元运算符,也就是说,间接运算符只有一个操作数。在例 1 中,ptr 指向变量 x。因此,表达式 *ptr 等效于变量 x 本身。

【例1】解引用一个指针
double x, y, *ptr;    // 两个double变量和一个double指针
ptr = &x;                   // 使得ptr指向x
*ptr = 7.8;             // 对变量x赋值7.8
*ptr *= 2.5;            // 将x乘以2.5
y = *ptr + 0.5;                 // 将加法x+0.5的结果赋值给y

不要混淆指针声明中的星号(*)和间接运算符。声明中的语法可以被视为展示了如何使用指针。如下例所示:
double *ptr;

如上述声明,ptr 具有 double* 类型(读为:“指向double的指针”)。因此,表达式 *ptr 类型是 double。

当然,间接运算符 * 必须匹配一个具有有效地址的指针。这个用法要求在编写程序时需要特别小心!例 1 中,如果没有 ptr=&x 为 ptr 分配有效地址,那么所有包含 *ptr 的语句都是没有意义的(解引用一个没有定义的指针),有可能会造成程序崩溃。

一个指针变量,其本身也是内存中的一个对象,也就是说,其他指针可以指向该指针。若想创建指针的指针,必须使用两个星号,如下例所示:
char c = 'A', *cPtr = &c, **cPtrPtr = &cPtr;

表达式 *cPtrPtr 当前生成 char 指针 cPtr,而 **cPtrPtr 的值是 char 变量 c。图 1 展示了这样的关系。


图1

指针的指针不仅限于两个层次的间接运算。也可以根据自己的需要定义多个层次的间接运算。然而,不能通过多次使用地址运算符 & 来取得指针的值:
char c = 'A', **cPtrPtr = &(&c);  // 错误!

上例中的第二个初始化语句是非法的:表达式(&c)不可以作为 & 的操作数,因为它不是一个左值。换句话说,在本例中,不存在可以让 cPtrPtr 指向的 char 指针。

如果将一个指针采用引用方式传入函数,以让函数可以修改该指针的值,那么该函数的参数就是指针的指针。下面简单的例子是一个函数,动态地创建一个新的记录,将其地址存储在一个指针变量中:
#include <stdlib.h>
// 记录的类型:
typedef struct { long key; /* ... */ } Record;
_Bool newRecord( Record **ppRecord )
{
  *ppRecord = malloc( sizeof(Record) );
  if ( *ppRecord != NULL )
  {
    /* ...初始化新记录的成员... */
    return 1;
  }
  else
    return 0;
}

下列语句是调用函数 newRecord()的一种可能方式:
Record *pRecord = NULL;
if ( newRecord( &pRecord) )
{
  /* ...pRecord现在指向了一个新的Record对象... */
}

表达式 *pRecord 生成新的记录,并且(*pRecord).key 是该记录中的 key 成员。表达式(*pRecord).key 中的括号是有必要的,因为点运算符(.)比间接运算符(*)具有更高的优先级。

不用上面运算符与括号结合的方式,也可以使用箭头运算符 -> 来获取结构或联合的成员。如果 p 是一个指向结构或联合的指针,并且该结构或联合具有成员 m,那么表达式 p->m 等效于(*P).m。因此,下面的语句将一个值赋值给 pRecord 所指的 key 成员:
pRecord->key = 123456L;

修改和比较指针

除了使用赋值操作让一个指针引用一个给定的对象或函数,也可以使用算术运算来修改一个对象指针。当进行指针算术运算(pointer arithmetic)时,编译器会自动在运算中采用指针所指类型的空间大小。

对于指向对象的指针,可以进行下列的运算:
(1) 对一个指针执行整数加法和减法操作。
(2) 两个指针相减。
(3) 比较两个指针。

当将两个指针相减时,这两个指针必须具有相同的基本类型,但是类型限定符则不需要一样。而且,可以使用相等运算符(==和!=)来将任何指针与空指针常量比较,也可以将对象指针与 void 指针比较。

这里所描述的三种指针运算,通常只针对指向数组元素的指针时才有用。为了展示这些运算的作用,假设有两个指针 p1 和 p2,它们都指向数组 a 内的元素:

(1) 如果 p1 指向数组元素 a[i],并且 n 是一个整数,那么表达式 p2=p1+n 的使得 p2 指向数组元素 a[i+n](假设 i+n 仍在数组 a 的索引范围内)。

(2) 减法 p2-p1 的结果是获得两个指针之间数组元素的数量,结果的类型是 ptrdiff_t。该类型定义在头文件 stddef.h 中,通常定义成 int。在赋值运算 p2=p1+n 之后,表达式 p2-p1 的值是 n。

(3) 如果 p2 所引用的元素比 p1 所引用的元素具有更大的索引值,则 p1<li="">。

因为一个数组的名称会隐式地转换为指向数组第一个元素的指针,所以可以把数组的下标表示法替换为指针算术
(1) 表达式 a+i 是指向 a[i] 的指针,而 *(a+i)的值是元素 a[i]。
(2) 表达式 p1-a 的结果是 p1 指向元素的索引值 i。

在例 2 中,函数 selection_sortf()对 float 元素数组进行排序,使用选择性排序算法。这个函数使用指针而非索引完成对 float 元素数组的排序,函数swapf()维持不变。

【例2】指针版本的函数 selection_sortf()
// 函数swapf()交换两个float变量的值
// 参数:两个指向float的指针
inline void swapf( float *p1, float *p2 )
{
   float tmp = *p1; *p1 = *p2; *p2 = tmp;       // 交换*p1和*p2
}
// 函数selection_sortf()使用选择性排序算法,对float元素数组排序
// 参数:一个float元素数组,以及它的长度
void selection_sortf( float a[], int n )        // 对有n个float元素的数组a进行排序
{
  if ( n <= 1 ) return;                              // 不进行排序
  register float *last = a + n-1,               // 指向最后一个元素的指针
                 *p,                            // 指向一个选定元素的指针
                 *minPtr;                       // 指向当前最小值元素的指针
  for ( ; a < last; ++a )                    // 将指针遍历整个数组
  {
    minPtr = a;                                         // 在a所指的元素与最后一个元素之间
    for ( p = a+1; p <= last; ++p )          // 找到最小值元素
      if ( *p < *minPtr )
        minPtr = p;
    swapf( a, minPtr );                                 // 将最小值元素与a所指的元素交换
  }
}

通常来讲,指针版本的函数比使用索引版本的函数具有更高效率,因为使用索引 i 获取数组 a 的元素,表达式为 a[i] 或 *(a+i),它涉及将 a 的地址加上 i*sizeof(元素类型)的值,以获得对应的数组元素地址。指针版本相比之下需要的运算就少得多了,因为指针本身可递增,不需要索引,并且指针直接指向所需的元素。