C語言：陣列和指標的區別

轉載請註明來源 http://blog.csdn.net/imred/article/details/45441457
實際上關於陣列與指標的區別這個問題在《C專家程式設計》已經有很詳細的闡釋，但我想用自己的語言說一說我的理解。

陣列是指標？

最近在做資料結構課設，其中一個函式發生了令人費解的錯誤，簡化後的程式碼如下：

#include <stdio.h>
int main()
{
    char foo[] = "abcde";
    char **bar = &foo;
    printf("%c\n", *(*bar));
    return 0;
}

程式執行到 printf 語句後便會掛掉，除錯時會提示一個SIGSEGV訊號，根據原來的經驗，這時程式試圖訪問本不應該訪問的記憶體。
原來在 C 語言課堂上老師經常提到陣列就是一個指標，指標也可以像陣列那樣用使用中括號的方式來進行記憶體訪問。以這樣的想法來分析前面的程式：foo 是一個字元指標，即 foo 的值即為“abcde”的首字元“a”的地址，*foo 即為 ‘a’；那麼 foo 這個指標一定存在某個記憶體單元，&foo獲得這個記憶體單元的地址，即 pfoo 是指向 foo 的指標，那麼*pfoo 得到 foo，*(*pfoo)應該得到‘a’了；這樣理解的話，程式是不應該有問題的。
下面我們使用指標代替陣列來實現上面的程式：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    char *foo = (char *)malloc(sizeof (char) * 2);
    *foo = 'a';
    *(foo + 1) = 0;
    char **pfoo = &foo;
    printf("%c\n", *(*pfoo));
    return 0;
}

程式這次執行結果和預料的相同，輸出一個字母a。由此可見，陣列就是指標，這種說法是錯誤的。

陣列是靜態常量指標（static/Compile-time constant）？

有人認為陣列是一個靜態常量，即陣列名代表一個靜態的地址值，在編譯時確定，下面程式碼可以證偽這種說法

int main()
{
    char foo[] = {'a'};
    static char *p = foo;
    return 0;
}

使用 gcc 編譯時會有以下錯誤：

error: initializer element is not constant

可見陣列名並不是代表一個靜態量，並非地址常量。如果定義 foo 時加上 static 限定符，編譯就會通過，此時陣列名才代表了一個靜態量。

陣列是動態常量指標（const/Runtime constant）？

請看以下程式碼：

int main()
{
    char foo[] = {'a'};
    char * const bar;    //為什麼是這種寫法，請自行查閱相關資料
    char *baz;           
    foo = baz;           /* 1 */
    bar = baz;           /* 2 */
    return 0;
}

gcc 編譯時錯誤資訊為：

/* 1 */ error: incompatible types when assigning to type 'char[1]' from type 'char *'
/* 2 */ error: assignment of read-only variable 'bar'

1 2 兩處出錯資訊並不相同，若陣列為動態常量指標，出錯資訊應像 2 那樣。

陣列是什麼？

陣列既不是靜態常量，也不是指標，那麼陣列是什麼？

左值和右值

首先補充一些左值和右值的知識，引用《C專家程式設計》中的一段話：

出現在賦值符左邊的符號有時被稱為左值，出現在賦值符右邊的符號有時被稱為右值。編譯器為每個變數分配一個地址（左值）。這個地址在編譯時可知，而且該變數在執行時一直儲存於這個地址。相反，儲存於變數中的值（它的右值）只有在執行時才可知。如果需要用到變數中儲存的值，編譯器就發出指令從指定地址讀入變數值並將它存於暫存器中。

我對左值的理解和書上有些區別，我把這裡的“符號”稱為“物件”，每一個符號都代表一個物件，物件與地址是一一對應的。即如果宣告瞭 int a，那麼 a 作為一個左值時，a 即代表這個儲存在某個特定的地址的物件，對這個物件賦值即為把值放在這個特定的地址；a 作為右值時即代表 a 的內容，就是一個單純的值，而不是物件。一個值是不能作為左值的，比如一個常數 1, 1 = a 這樣的賦值語句是無法編譯通過的。在我看來，“左值”義同“物件”，“右值”義同“值”，所以下面“左值”和“物件”指的是相同的東西。但是“左值”又有一個子集：“可修改的左值”，只有這個子集中的東西才能放在賦值號左邊，因此我認為將引用中的第一句話修改為“出現在賦值符左邊的符號有時被稱為可修改的左值”更能表達其實際的意思。為什麼要引出這個子集，為的就是要把陣列分出來，陣列是左值，但並不是可修改的左值，因此你也不能直接把陣列名放在等號左邊進行賦值。

陣列就是陣列！

我先把結論放在這裡，然後在進行分析：陣列就是陣列，一個陣列名就代表一個陣列物件，這個物件內可以有一個或多個元素，每個元素型別都相同；正如 int 就是 int，一個 int 變數名就代表一個 int 型別物件。看到這裡，你可能要笑了，這不是什麼都沒說嗎，誰不知道陣列是這個意思啊，我想知道陣列和指標什麼關係。其實對陣列的認識就是這樣一個返璞歸真過程，看我來慢慢解釋。
以下程式碼：

/* 1.c */
int main()
{
    int foo[] = {1};
    int bar = 1;
    return 0;
}

使用 gcc 將其彙編並以 intel 格式輸出組合語言檔案：

gcc -S -masm=intel 1.c

關鍵部分為：

mov     DWORD PTR [esp+8], 1
mov     DWORD PTR [esp+12], 1

esp+8 位置就是那個 int foo[]，esp+12 位置就是那個 int bar。可見，給 int 陣列的賦值時就像給一個 int 變數賦值一樣，並沒用指標來進行間接訪問，這個 int 陣列物件 foo 的記憶體地址在編譯時就確定了，是 esp+8；正如那個 int 物件 bar 一樣，它的記憶體地址在編譯時也確定了，是esp+12。
以示區別，我將下面程式碼同樣以組合語言輸出：

/* 2.c */
#include <stdlib.h>
int main()
{
    int *foo = (int *)malloc(sizeof (int));
    *foo = 1;
    return 0;
}

彙編的關鍵部分為：

mov     DWORD PTR [esp], 4
call    _malloc
mov     DWORD PTR [esp+28], eax
mov     eax, DWORD PTR [esp+28]
mov     DWORD PTR [eax], 1

前兩句為 foo 分配記憶體空間，第三句將分配的記憶體空間地址值賦給 foo，foo 的地址為 esp+28，編譯時已知。下面是賦值部分，首先從 foo 那裡得到地址值，然後向這個地址賦值，這裡可以看出和給陣列賦值的差別，給陣列賦值時是將值直接賦到了陣列中，而不用從哪裡得到陣列的地址。
由上面可以看出，陣列更像一個普通的變數，編譯時就知道了其地址，可以直接賦值。

陣列作為左值

陣列不能放在賦值號左邊，但陣列仍可以作為一個左值或者說物件出現在語句中，一個重要的例子就是取地址操作：&。取地址操作 &的運算元必須是一個左值，而不能是一個右值。比如一個變數int a = 1，&a 就可以得到 a 的地址，但 &1 是非法的，一個單純的數值是沒有地址的。那麼對於一個int foo[]，&foo 會返回一個什麼樣的值呢？自然是一個指向陣列的指標咯，下面的程式可以看出來：

int main()
{
   int foo[1];
   int bar[1];
   bar = &foo;    //故意觸發一個 error
   return 0;
}

那個賦值語句一定會觸發一個的錯誤，我們可以根據編譯輸出來確定它們的型別，錯誤為：

error: incompatible types when assigning to type 'int[1]' from type 'int (*)[1]'

沒錯，&foo 返回資料型別為 int (*)[1]，就是一個指向陣列的指標。指向陣列？指向陣列的哪裡呢？指向陣列物件首地址，正如一個指向 int 物件的指標指向那個 int 物件佔有的兩個或四個記憶體單元的首地址一樣。
把 &foo 賦給一個普通的指標是可以的，不過會觸發一個 warning，因為int * 與 int (*)[1] 並不相容。賦值後普通指標的值與 &foo 的值是相同的，都是陣列物件的首地址，只是普通指標把這塊記憶體當做 int 物件處理而已。
由於 C 語言是弱型別語言，你把 &foo 賦給int **********bar 或者 int *baz都是可以的，都不會導致 error，只會導致 warning，此時你列印出 *bar 或者 *baz 的值都是 foo 中第一個整數的值（前提是指標和陣列佔用空間大小相等）。正如文章開頭的程式碼那樣，以這個整數的值作為一個地址值進行間接訪問（*(*bar)）就會導致非法訪問的錯誤。

陣列作為右值

陣列作為右值時會發生什麼？返回陣列物件內的所有值自然不可能，因此 C 語言中採取的方法是陣列作為右值時返回物件中元素型別的指標，指標指向第一個元素，類似上一個例子：

int main()
{
   int foo[1];
   int bar[1];
   bar = foo;    //故意觸發一個 error
   return 0;
}

出錯資訊為：

error: incompatible types when assigning to type 'int[1]' from type 'int *'

foo 作為右值時返回了一個 int *，就是這個特性給人造成了陣列就是指標的假象。

總結

陣列作為左值和陣列作為右值時的區別造成了無數人的困惑與誤解：foo 作為右值時確實等價於一個指標，因為陣列無法像普通物件那樣返回它的值，它的元素可能有成百上千個，但作為一個左值時——比如作為取地址操作符的運算元時，陣列就是作為一個陣列物件而出現的，而不是指標，取地址返回一個指向陣列的指標，而不是指向指標的指標。
一句話總結就是：陣列就是陣列，有著自己的特性。
（題外話：從生成的組合語言看，用指標來訪問記憶體實際上並不比使用陣列來訪問記憶體快，反而是慢了）
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