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C语言数组指针和指针数组

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在许多 C 程序中,指针常被用于引用数组,或者作为数组的元素。指向数组的指针常被简称为数组指针(array pointer),而具有指针类型元素的数组则被称为指针数组(pointer array)。

数组指针

为了便于举例,下面的描述均以一个 int 数组为例。同样的原理可以应用于其他类型数组,包括多维数组。

要声明指向数组类型的指针,必须使用括号,如下所示:
int (* arrPtr)[10] = NULL;   // 一个指针,它指向一个有10个int元素的数组

如果没有括号,则声明 int*arrPtr[l0];表示 arrPtr 是一个具有 10 个 int 类型指针的数组。

在该例中,指向有 10 个 int 元素的数组的指针会被初始化为 NULL。然而,如果把合适数组的地址分配给它,那么表达式 *arrPtr 会获得数组,并且(*arrPtr)[i] 会获得索引值为 i 的数组元素。根据下标运算符的规则,表达式(*arrPtr)[i] 等同于 *((*arrPtr)+i)。因此,**arrPtr 获得数组的第一个元素,其索引值为 0。

为了展示数组指针 arrPtr 的几个运算,下例使用它来定位一个二维数组的某些元素,也就是矩阵内的某些行:
int matrix[3][10];            // 3行,10列的数组
                                    // 数组名称是一个指向第一个元素的指针,也就是第一行的指针
arrPtr = matrix;            // 使得arrPtr指向矩阵的第一行
(*arrPtr)[0] = 5;       // 将5赋值给第一行的第一个元素
arrPtr[2][9] = 6;           // 将6赋值给最后一行的最后一个元素
++arrPtr;                   // 将指针移动到下一行
(*arrPtr)[0] = 7;           // 将7赋值给第二行的第一个元素

在初始化赋值后,arrPtr 指向矩阵的第一个行,正如矩阵名称 matrix 一样。在这种情况下,使用 arrPtr 获取元素的方式与使用 matrix 完全一样。例如,赋值运算(*arrPtr)[0]=5 等效于 arrPtr[0][0]=5 和 matrix[0][0]=5。

然而,与数组名称 matrix 不同的是,指针名称 arrPtr 并不代表一个常量地址,如运算 ++arrPtr 所示,它进行了自增运算。这个自增运算会造成存储在数组指针的地址增加一个数组空间大小,在本例中,即增加矩阵一行的空间大小,也就是 10 乘以 int 元素在内存中所占字节数量。

如果想把一个多维数组传入函数,则必须声明对应的函数参数为数组指针。最后要注意的是,如果 a 是一个具有 10 个 int 类型元素的数组,那么无法使用下面的方式对前面例子中的指针 arrPtr 赋值:
arrPtr = a;                  // 错误:指针类型不匹配

错误的原因是,数组名字,例如上文的 a,会被隐式地转换为指针,指向数组第一个元素,而不是指向整个数组。指向 int 的指针没有被隐式地转换为指向 int 数组的指针。本例中的赋值操作需要显式的类型转换,在类型转换运算符中明确指定目标类型是
int (*) [10]:
arrPtr = (int (*)[10])a;        // 合法

在前文 arrPtr 的声明语句(int(*arrPtr)[10]=NULL;)中,删除其中标识符 arrPtr,就可得到 int(*)[10],即对应的数组指针类型。然而,为了提高可读性和灵活性,可以利用 typedef 为所用的类型定义一个简单的名字:
typedef int ARRAY_t[10];    // 定义一个“具有10个元素数组”类型名称
ARRAY_t  a,                     // 具有该类型的数组
         *arrPtr;               // 一个指向该数组类型的指针
arrPtr = (ARRAY_t *)a;  // 使得arrPtr指向a

指针数组

指针数组(也就是元素为指针类型的数组)常常作为二维数组的一种便捷替代方式。一般情况下,这种数组中的指针会指向动态分配的内存区域。

例如,如果需要处理字符串,可以将它们存储在一个二维数组中,该数组行空间大小必须足以存储下可能出现的最长字符串:
#define ARRAY_LEN 100
#define STRLEN_MAX 256
char myStrings[ARRAY_LEN][STRLEN_MAX] =
{ // 墨菲定律的几条推论:
“会出错的事,总会出错。”
“世上没有绝对正确的事情。”
“每个解决办法都会衍生出新的问题。”
};

然而,这个方式造成内存浪费,25600 字节中只有一小部分被实际使用到。一方面,短字符串会让大部分的行是空的;另一个方面,有些行根本没有用到,但却得为它预留内存。

一个简单的解决方案是,使用指针数组,让指针指向对象(在此处的对象就是字符串),然后只给实际存在的对象分配内存(未用到的数组元素则是空指针)。
#define ARRAY_LEN 100
char *myStrPtr[ARRAY_LEN] =        // char指针的数组
{ // 墨菲定律的几条推论:
“会出错的事,总会出错。”
“世上没有绝对正确的事情。”
“每个解决办法都会衍生出新的问题。”
};

图 1 展示了对象在内存中的存储情况:


图 1

尚未使用的指针可以在运行时指向另一个字符串。所需的存储空间可以利用这种常见方法来动态地保留。当不再需要该内存时,可以释放。

例 1 中的程序是一个简单版本的过滤器工具 sort。它从标准输入流中读取文字,根据字母顺序对行排序,然后将结果在标准输出中显示出来。这个程序没有移动任何字符串,它实际排序的是一个指针数组。

【例1】对文字各行进行排序的简单程序
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
char *getLine(void);                                 // 读取文本中的一行
int str_compare(const void *, const void *);

#define NLINES_MAX 1000                                      // 定义文本行数的最大值
char *linePtr[NLINES_MAX];                           // char指针的数组

int main()
{
  // 读入行
  int n = 0;                                         // 读入行的数量
  for ( ; n < NLINES_MAX && (linePtr[n] = getLine()) != NULL; ++n )
    ;
  if ( !feof(stdin) )                                // 处理错误
  {
    if ( n == NLINES_MAX )
      fputs( "sorttext: too many lines.n", stderr );
    else
      fputs( "sorttext: error reading from stdin.n", stderr );
  }
  else                                                       // 排序和输出
  {
    qsort( linePtr, n, sizeof(char*), str_compare ); // 排序
    for ( char **p = linePtr; p < linePtr+n; ++p )   // 输出
          puts(*p);
  }
  return 0;
}

// 从stdin中的文本读取一行;忽略尾部的换行符
// 返回值: 一个指向所读字符串的指针,或者为NULL,当读到文字结尾时或发生错误时
#define LEN_MAX 512                                  // 定义一行字符数的最大值
  
char *getLine()
{
  char buffer[LEN_MAX], *linePtr = NULL;
  if ( fgets( buffer, LEN_MAX, stdin ) != NULL )
  {
    size_t len = strlen( buffer );

    if ( buffer[len-1] == 'n' )                     // 去掉尾部的换行符
      buffer[len-1] = '0';
    else
      ++len;

    if ( (linePtr = malloc( len )) != NULL )         // 为行获得内存空间
      strcpy( linePtr, buffer );                     // 将行复制到已分配区域
  }
  return linePtr;
}

// 比较函数,供qsort()使用
// 参数:两个指针,指向数组内待排序的两个元素,这里,两个指针都是char **类型
int str_compare( const void *p1, const void *p2 )
{
  return strcmp( *(char **)p1, *(char **)p2 );
}

在例 1 中,常量 NLINES_MAX 限制了一行文字中字符数量的最大值。然而,我们可以通过动态地创建指向文本行指针的数组,达到消除该限制的目的。