[c语言日寄] 指针学习情况自检题目

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前言

在 C 语言的世界里，指针是一种强大而灵活的工具，它允许我们直接操作内存地址。今天，我们就通过一个程序练习来复习指针的使用。

题目引入

#include <stdio.h>

int main() {
    int a[] = {1, 2, 3, 4}; // 内存大小为4 * 4 = 16字节

    printf("%d\n", sizeof(a));
    printf("%d\n", sizeof(a + 0));
    printf("%d\n", sizeof(*a));
    printf("%d\n", sizeof(a + 1));
    printf("%d\n", sizeof(a[1]));
    printf("%d\n", sizeof(&a));
    printf("%d\n", sizeof(*&a));
    printf("%d\n", sizeof(&a[0]));
    printf("%d\n", sizeof(&a[0] + 1));

    return 0;
}

请分析程序的输出结果，并解释每条 printf 语句的含义。
在接下来的文章中，我们会一起把指针的知识与题目结合起来，学习这一知识点。

知识点分析

sizeof 运算符

sizeof 是一个编译时运算符，用于计算变量或数据类型在内存中所占用的字节数。它在处理数组和指针时有一些需要注意的地方。

• 数组：当 sizeof 的操作数是数组名时，它会返回整个数组占用的字节数。例如，sizeof(a) 返回的是数组 a 的总大小，即 4 * sizeof(int)。
• 指针：当 sizeof 的操作数是指针时，它返回的是指针本身占用的字节数，而不是指针所指向的内容。在 32 位系统中，指针通常占用 4 字节；在 64 位系统中，指针通常占用 8 字节。

指针与数组的关系

在 C 语言中，数组名在大多数情况下可以被视为指向数组首元素的指针。例如，a 可以被视为 &a[0]，即数组第一个元素的地址。因此，a + 1 表示数组第二个元素的地址。

• sizeof(a + 0)：a + 0 是数组首元素的地址，sizeof(a + 0) 返回的是指针占用的字节数。
• sizeof(*a)：*a 是数组首元素的值，sizeof(*a) 返回的是数组首元素占用的字节数，即 sizeof(int)。
• sizeof(a + 1)：a + 1 是数组第二个元素的地址，sizeof(a + 1) 返回的是指针占用的字节数。
• sizeof(a[1])：a[1] 是数组第二个元素的值，sizeof(a[1]) 返回的是数组第二个元素占用的字节数，即 sizeof(int)。

地址运算

在 C 语言中，地址运算符 & 用于获取变量的地址，而解引用运算符 * 用于获取指针所指向的值。

• sizeof(&a)：&a 是整个数组的地址，sizeof(&a) 返回的是指针占用的字节数。
• sizeof(*&a)：&a 是整个数组的地址，*&a 表示整个数组，sizeof(*&a) 返回的是整个数组占用的字节数。
• sizeof(&a[0])：&a[0] 是数组第一个元素的地址，sizeof(&a[0]) 返回的是指针占用的字节数。
• sizeof(&a[0] + 1)：&a[0] + 1 是数组第二个元素的地址，sizeof(&a[0] + 1) 返回的是指针占用的字节数。

答案

#include<stdio.h>

int main() {
    int a[] = {1, 2, 3, 4}; // 内存大小为4*4=16字节

    printf("%d\n", sizeof(a));
    // sizeof()中直接放入数组名，计算整个数组的内存大小：16字节

    printf("%d\n", sizeof(a + 0));
    // 先计算a+0，代表第一个元素的地址，地址在内存中为4/8个字节

    printf("%d\n", sizeof(*a));
    //*a为第一个元素，也就是1，int类型占4字节

    printf("%d\n", sizeof(a + 1));
    // a+1为第二个元素，同上为4字节

    printf("%d\n", sizeof(a[1]));
    // 第二个元素，4字节

    printf("%d\n", sizeof(&a));
    // &a为整个元素的地址，地址就占据4/8个字节

    printf("%d\n", sizeof(*&a));
    // &a表示整个数组的地址，*&a表示整个数组
    // 将数组传入得到数组的大小，即4*4=16字节

    printf("%d\n", sizeof(&a[0]));
    // 第一个元素的地址，地址占4/8字节
    printf("%d\n", sizeof(&a[0] + 1));
    // 第二个元素的地址，4/8字节

    return 0;
}

注意事项

sizeof 的返回值

sizeof 的返回值是 size_t 类型，它是一个无符号整数类型，表示对象的大小。在不同的系统中，size_t 的大小可能不同，但它通常与系统的指针大小一致。因此，在 32 位系统中，size_t 通常占用 4 字节；在 64 位系统中，size_t 通常占用 8 字节。

指针的大小

指针的大小与系统的位数有关。在 32 位系统中，指针占用 4 字节；在 64 位系统中，指针占用 8 字节。因此，sizeof(a + 0) 和 sizeof(&a) 的返回值可能因系统而异。

数组与指针的区别

虽然数组名在大多数情况下可以被视为指针，但数组和指针在某些情况下是有区别的。例如，sizeof(a) 返回的是整个数组的大小，而 sizeof(&a) 返回的是数组的地址占用的字节数。

地址运算的陷阱

在进行地址运算时，需要注意指针的类型和大小。例如，&a[0] + 1 是数组第二个元素的地址，但它的类型是指针，因此 sizeof(&a[0] + 1) 返回的是指针占用的字节数，而不是数组第二个元素的大小。

拓展应用

指针与函数

指针可以作为函数的参数或返回值，这使得函数可以操作内存中的数据。

• 函数参数：当指针作为函数参数时，函数可以通过指针直接修改调用者的变量。例如，我们可以定义一个函数来交换两个整数的值：

void swap(int *a, int *b) {
    int temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

• 函数返回值：函数也可以返回指针，这使得函数可以返回动态分配的内存或数组的地址。例如，我们可以定义一个函数来创建一个动态分配的数组：

int *create_array(int size) {
    int *array = (int *)malloc(size * sizeof(int));
    return array;
}

指针与结构体

指针可以与结构体结合使用，这使得我们可以操作结构体的成员。

• 结构体指针：我们可以定义一个指向结构体的指针，并通过指针访问结构体的成员。例如：

struct stu {
    int num;
    char name[10];
    int age;
};

struct stu *p = (struct stu *)malloc(sizeof(struct stu));
p->num = 1001;
strcpy(p->name, "Alice");
p->age = 20;

• 结构体数组指针：我们也可以定义一个指向结构体数组的指针，并通过指针访问结构体数组的元素。例如：

struct stu *p = (struct stu *)malloc(3 * sizeof(struct stu));
p[0].num = 1001;
strcpy(p[0].name, "Alice");
p[0].age = 20;

p[1].num = 1002;
strcpy(p[1].name, "Bob");
p[1].age = 21;

p[2].num = 1003;
strcpy(p[2].name, "Charlie");
p[2].age = 22;

指针与动态内存分配

指针可以用于动态内存分配，这使得我们可以根据需要分配和释放内存。

• malloc：malloc 函数用于动态分配内存，它返回一个指向分配的内存的指针。例如：

int *array = (int *)malloc(10 * sizeof(int));

• free：free 函数用于释放动态分配的内存。例如：

free(array);

指针与字符串

指针可以用于处理字符串，这使得我们可以操作字符数组。

• 字符串指针：我们可以定义一个指向字符串的指针，并通过指针操作字符串。例如：

char *str = "Hello, World!";
printf("%s\n", str);

• 字符串数组指针：我们也可以定义一个指向字符串数组的指针，并通过指针操作字符串数组。例如：

char *strs[] = {"Hello", "World", "C", "Language"};
printf("%s\n", strs[0]);

指针与多维数组

指针可以用于处理多维数组，这使得我们可以操作多维数组的元素。

• 二维数组指针：我们可以定义一个指向二维数组的指针，并通过指针操作二维数组的元素。例如：

int array[2][3] = {{1, 2, 3}, {4, 5, 6}};
int (*p)[3] = array;
printf("%d\n", p[0][1]);

• 动态分配二维数组：我们也可以动态分配二维数组，并通过指针操作二维数组的元素。例如：

int **array = (int **)malloc(2 * sizeof(int *));
for (int i = 0; i < 2; i++) {
    array[i] = (int *)malloc(3 * sizeof(int));
}
array[0][0] = 1;
array[0][1] = 2;
array[0][2] = 3;
array[1][0] = 4;
array[1][1] = 5;
array[1][2] = 6;
printf("%d\n", array[0][1]);

总结

指针是 C 语言中一个非常重要的概念，它允许我们直接操作内存地址。通过指针，我们可以实现高效的数据操作和复杂的程序功能。在使用指针时，需要注意 sizeof 的返回值、指针的大小、数组与指针的区别以及地址运算的陷阱。此外，指针还可以与函数、结构体、动态内存分配、字符串和多维数组结合使用，实现更强大的功能。希望这篇文章能帮助你更好地理解和使用指针。

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