C语言基本笔记（9）—— 数组和指针

以下是C语言的C99标准中有关数组和指针的一些理论。

数组

变长数组（VLA，Variable-Length Array）

• 定义：允许数组长度在运行时确定（需编译器支持）。
• 示例：

  int n = 10;
  int arr[n];  // 合法（C99支持）
  

• 限制：
  • 不能初始化（如 int arr[n] = {0}; 非法）。
  • 作用域内长度不可变。
  • C11中变为可选特性，需注意编译器和平台兼容性。

数组类型退化（Decay）

• 数组名在大多数表达式中退化为指向首元素的指针（例外：sizeof(arr)、&arr）。
• 示例：

  int arr[3] = {1, 2, 3};
  int *p = arr;      // 等价于 int *p = &arr[0];
  size_t size = sizeof(arr); // 返回数组总字节数（非指针大小）
  

指针的核心特性（C99标准）

1. restrict 关键字

   • 用途：声明指针是访问数据的唯一方式，帮助编译器优化。
   • 示例：

     void copy(int *restrict dest, const int *restrict src, int n);
     

2. 指针算术与数组遍历

   • 指针算术规则：

     int arr[5];
     int *p = arr;
     p++;  // 指向arr[1]（地址增加sizeof(int)）
     

   • 遍历优化：

     for (int *p = arr; p < arr + 5; p++) {
         printf("%d ", *p);
     }
     

3. 动态多维数组

   • 堆内存分配：

     int rows = 3, cols = 4;
     int **matrix = malloc(rows * sizeof(int*));
     for (int i = 0; i < rows; i++) {
         matrix[i] = malloc(cols * sizeof(int));
     }
     

   • 连续内存分配（推荐）：

     int (*matrix)[cols] = malloc(rows * sizeof(*matrix)); // C99支持
     

数组与指针的关系

1. 数组名与指针的区别

   特性	数组名	指针
   内存分配	静态分配（栈或全局区）	动态或静态（指向其他内存）
   sizeof 结果	数组总字节数	指针变量大小（如4/8字节）
   可修改性	不可重新赋值	可指向其他地址

2. 函数参数传递

   • 数组作为函数参数时退化为指针：

     void func(int arr[]);  // 等价于 void func(int *arr);
     

   • 传递多维数组需明确列数（C99支持变长）：

     void func(int rows, int cols, int mat[rows][cols]);
     

字符数组与字符串的关系

1. 字符数组的定义与初始化

• 字符数组存储字符串

  char str1[] = "Hello";     // 自动包含'\0'，大小为6
  char str2[6] = "Hello";    // 等价于str1
  char str3[5] = "Hello";    // 错误！缺少空间存放'\0'
  char str4[5] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o'}; // 合法，但非字符串（无'\0'）
  

  注意事项：
  • 若字符数组用于存储字符串，必须预留空间给结尾的 '\0'。
  • 未显式初始化的字符数组内容不确定，需手动添加 '\0' 才能作为字符串使用。

2. 字符串字面量初始化

• 隐式添加 '\0'

  char str[] = "abc"; // 等价于 {'a', 'b', 'c', '\0'}
  

  • 若数组大小不足，会静默截断且可能不添加 '\0'：

    char str[3] = "abc"; // 错误！未包含'\0'，可能导致越界
    

3. 字符数组与字符串的操作

• 字符串函数依赖 '\0'

  char str[5] = "Hello"; // 错误！越界（实际需要6字节）
  printf("%s", str);     // 可能导致未定义行为
  

  正确做法：

  char str[6] = "Hello"; // 正确，包含'\0'
  printf("%s", str);     // 安全
  

• 手动添加 '\0'

  char str[5] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o'};
  str[4] = '\0'; // 手动终止，但数组长度不足，仍会越界！
  

常见错误

1. 数组越界访问

int arr[3] = {1, 2, 3};
printf("%d", arr[3]); // 越界访问，未定义行为

• 解决方法：始终检查索引范围（0 <= index < size）。

2. 混淆数组与指针

int arr[3] = {1, 2, 3};
int *p = arr;
printf("%zu", sizeof(arr)); // 输出12（假设int为4字节）
printf("%zu", sizeof(p));   // 输出指针大小（如4或8）

3. 字符串初始化陷阱

char str[5];
strcpy(str, "Hello"); // 错误！目标缓冲区不足（需要6字节）

4. 变长数组（VLA）的局限性

• VLA不能用于全局变量或静态变量：

  int n = 10;
  static int vla[n]; // 错误！VLA不能是静态的
  

5. 多维数组的内存布局

• 多维数组是连续存储的，但动态分配时需注意内存连续性：

  int (*matrix)[cols] = malloc(rows * sizeof(*matrix)); // 连续内存（C99）