指针的运算

1. 引言

最近重新学了一下C指针，主要是通过《C Primer Plus》这本书，该书讲的很到位，让我对指针有了全新的认识。写这篇文章的目的主要是为了总结知识，记录想法。

2. 完整代码

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int urn[5] = {100, 200, 300, 400, 500};
    int *ptr1, *ptr2, *ptr3;
    ptr1 = urn;     // 把一个地址赋给指针
    ptr2 = &urn[2]; // 把一个地址赋给指针

    // 解引用指针，以及获得指针的地址
    printf("pointer value, dereferenced pointer, pointer address:\n");
    printf("ptr1 = %p, *ptr1 = %d, &ptr1 = %p\n", ptr1, *ptr1, &ptr1);

    // 指针加法
    ptr3 = ptr1 + 4;
    printf("\nadding an int to a pointer:\n");
    printf("ptr1 + 4 = %p, *(ptr1 + 4) = %d\n", ptr1 + 4, *(ptr1 + 4));

    // 递增指针
    ptr1++;
    printf("\nvalues after ptr1++:\n");
    printf("ptr1 = %p, *ptr1 = %d, &ptr1 = %p\n", ptr1, *ptr1, &ptr1);

    // 递减指针
    ptr2--;
    printf("\nvalues after --ptr2:\n");
    printf("ptr2 = %p, *ptr2 = %d, &ptr2 = %p\n", ptr2, *ptr2, &ptr2);

    // 恢复为初始值
    --ptr1;
    ptr2++;
    printf("\nPointer reset to original values:\n");
    printf("ptr1 = %p, ptr2 = %p\n", ptr1, ptr2);

    // 一个指针减去另一个指针
    printf("\nsubtracting one pointer from another:\n");
    printf("ptr2 = %p, ptr1 = %p, ptr2 - ptr1 = %td\n", ptr2, ptr1, ptr2 - ptr1);

    // 一个指针减去一个整数
    printf("\nsubtracting an int from a pointer:\n");
    printf("ptr3 = %p, ptr3 - 2 = %p\n", ptr3, ptr3 - 2);

    return 0;
}

该代码例举了C指针中的所有运算？（不太清楚，后续遇到其他运算再补充）输出结果如下

$ out/ex10_13_ptr_ops.out 
pointer value, dereferenced pointer, pointer address:
ptr1 = 0x7ffe690f5780, *ptr1 = 100, &ptr1 = 0x7ffe690f5768

adding an int to a pointer:
ptr1 + 4 = 0x7ffe690f5790, *(ptr1 + 4) = 500

values after ptr1++:
ptr1 = 0x7ffe690f5784, *ptr1 = 200, &ptr1 = 0x7ffe690f5768

values after --ptr2:
ptr2 = 0x7ffe690f5784, *ptr2 = 200, &ptr2 = 0x7ffe690f5770

Pointer reset to original values:
ptr1 = 0x7ffe690f5780, ptr2 = 0x7ffe690f5788

subtracting one pointer from another:
ptr2 = 0x7ffe690f5788, ptr1 = 0x7ffe690f5780, ptr2 - ptr1 = 2

subtracting an int from a pointer:
ptr3 = 0x7ffe690f5790, ptr3 - 2 = 0x7ffe690f5788

3. 赋值

可以把地址赋给指针。例如，用数组名、带地址运算符（&）的变量名、另一个指针进行赋值。在该例中，把urn数组的首地址赋给了ptr1，该地址的编号恰好是0x7ffe690f5780。变量ptr2获得数组urn的第3个元素（urn[2]）的地址。注意，地址应该和指针类型兼容。也就是说，不能把double类型的地址赋给指向int的指针，至少要避免不明智的类型转换。C99/C11已经强制不允许这样做。

4. 解引用

解引用首先要知道什么是引用，&运算符 + 一个变量叫做该变量的引用，可以获取该变量再内存中的地址。反过来，给出一个变量的地址，获取变量的值叫做解引用，用的是*运算符，也叫做间接运算符。

* 在C中有很多意思，可以是×乘，可以用来定义指针，也可以是间接运算符用来解引用。

int * p;			// 定义指针
int i = 2 * 3;		// 做乘法
p = &i;				
int value = *p;		// 解引用

5. 取址

取址指的是获取地址，指针也是变量，和int，float等类型的变量一样，它也有地址，也是用&取址。因此在上例中，&ptr1是指向ptr1的指针，而ptr1是指向utn[0]的指针。

6. 指针与整数相加

指针 + 整数 和 整数 + 指针的效果是一样的。指针与整数的相加有一个独特的运算法则，即整数都会和指针所指向类型的大小（以字节为单位）相乘，然后把结果与初始地址相加。因此ptr1+4与&urn[4]等价。如果相加的结果超出了初始指针指向的数组范围，计算结果则是未定义的。除非正好超过数组末尾第一个位置，C保证该指针有效。下面是我写的一个例子：

#include <stdio.h>
#define SIZE 5

int main(void)
{
    int arr[SIZE] = {1, 2, 3, 4, 5};
    for (int i = 0; i < SIZE; i++)
        printf("&arr[%d] = %p == arr + %d = %p\n", i, &arr[i], i, arr + i);

    return 0;
}

$ out/demo.out 
&arr[0] = 0x7ffcfd40a730 == arr + 0 = 0x7ffcfd40a730
&arr[1] = 0x7ffcfd40a734 == arr + 1 = 0x7ffcfd40a734
&arr[2] = 0x7ffcfd40a738 == arr + 2 = 0x7ffcfd40a738
&arr[3] = 0x7ffcfd40a73c == arr + 3 = 0x7ffcfd40a73c
&arr[4] = 0x7ffcfd40a740 == arr + 4 = 0x7ffcfd40a740

将数组arr的类型改为short后，输出结果如下

$ out/demo.out 
&arr[0] = 0x7ffddf619a3e == arr + 0 = 0x7ffddf619a3e
&arr[1] = 0x7ffddf619a40 == arr + 1 = 0x7ffddf619a40
&arr[2] = 0x7ffddf619a42 == arr + 2 = 0x7ffddf619a42
&arr[3] = 0x7ffddf619a44 == arr + 3 = 0x7ffddf619a44
&arr[4] = 0x7ffddf619a46 == arr + 4 = 0x7ffddf619a46

改为long后

&arr[0] = 0x7ffe6860ea70 == arr + 0 = 0x7ffe6860ea70
&arr[1] = 0x7ffe6860ea78 == arr + 1 = 0x7ffe6860ea78
&arr[2] = 0x7ffe6860ea80 == arr + 2 = 0x7ffe6860ea80
&arr[3] = 0x7ffe6860ea88 == arr + 3 = 0x7ffe6860ea88
&arr[4] = 0x7ffe6860ea90 == arr + 4 = 0x7ffe6860ea90

顺带提一下，在自己写demo的时候，无意间get到了作者为什么要将数组的长度定位5。源代码的数组是int型的，数组指针 + 4后，刚好进一位！

7. 递增指针

递增指向数组元素的指针可以让该指针移动至数组的下一个元素。因此，ptr1++相当于把ptr1的值加上4（我们的系统中int为4字节），ptr1指向urn[1]（见图10.4，该图中使用了简化的地址）。现在ptr1的值是0x7fff5fbff8d4（数组的下一个元素的地址），*ptr的值为200（即urn[1]的值）。注意，ptr1本身的地址仍是0x7fff5fbff8c8。毕竟，变量不会因为值发生变化就移动位置。

8. 指针减去一个整数

可以使用-运算符从一个指针中减去一个整数。指针必须是第1个运算对象，整数是第2个运算对象。该整数将乘以指针指向类型的大小（以字节为单位），然后用初始地址减去乘积。所以ptr3 - 2与&urn[2]等价，因为ptr3指向的是&urn[4]。如果相减的结果超出了初始指针所指向数组的范围，计算结果则是未定义的。除非正好超过数组末尾第一个位置，C保证该指针有效。

9. 递减指针

类比递增指针

10. 指针求差

可以计算两个指针的差值。通常，求差的两个指针分别指向同一个数组的不同元素，通过计算求出两元素之间的距离。差值的单位与数组类型的单位相同。例如，程序清单10.13的输出中，ptr2 - ptr1得2，意思是这两个指针所指向的两个元素相隔两个int，而不是2字节。只要两个指针都指向相同的数组（或者其中一个指针指向数组后面的第1个地址），C都能保证相减运算有效。如果指向两个不同数组的指针进行求差运算可能会得出一个值，或者导致运行时错误。

11. 比较

使用关系运算符可以比较两个指针的值，前提是两个指针都指向相同类型的对象。