一、能力錯(cuò)覺

當(dāng)書本（或谷歌）擺在眼前時(shí)，大腦會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)覺，以為學(xué)習(xí)材料也同樣存入了大腦，閱讀畢竟比回想簡單多了。

以為反復(fù)的閱讀資料就是自己已經(jīng)掌握知識(shí)，這就是能力錯(cuò)覺。

解決能力錯(cuò)覺的方法:

• 積極回想——讓大腦提取關(guān)鍵概念，而非通過重復(fù)閱讀被動(dòng)地獲取知識(shí)，這樣才能高效地學(xué)習(xí)。

現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上盛行各種it類的視頻教程，我不否認(rèn)不少視頻教程是高質(zhì)量的，但是所有視頻類資料都有一個(gè)問題:

• 可以讓人不用閱讀書籍，減少思考，只要被動(dòng)地聽老師們講課就能舒舒服服地獲取到知識(shí)，這很容易會(huì)讓某些初級(jí)的軟件開發(fā)人員形成能力錯(cuò)覺，仿佛視頻里寫過的代碼，解決過的 bug 都是自己已經(jīng)學(xué)到的知識(shí)似的。

有效的解決辦法是：

• 公開學(xué)習(xí)筆記和練習(xí)代碼。公開學(xué)習(xí)筆記的目的是借助外部壓力，高效回想，進(jìn)而提高自己的學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)。

• 另外，公開寫作則會(huì)給你的寫作增加很多維度的外部壓力，你會(huì)想如何讓別人更好地理解我要表達(dá)的意思；如何傳遞更多價(jià)值，讓別人讀完有所收獲；如何讓更多人看到；如何讓別人讀得下去；如何排版讓大家看得更舒服；

二、數(shù)組和指針有什么區(qū)別？

正文目錄：

1. 用于聲明時(shí)兩者有重大區(qū)別
2. 你真的理解聲明和定義嗎？
3. 數(shù)組和指針的底層是如何訪問數(shù)據(jù)的？
4. 哪些場景可以用指針代替數(shù)組？
5. 為什么C語言要把數(shù)組形參退化為指針？
6. 如何使用指針訪問多維數(shù)組？
7. 相關(guān)面試題

寫作目的：

• 正確看待數(shù)組和指針。

測試環(huán)境：

• Ubuntu 16.04
• Gcc 5.4.0

1. 用于聲明時(shí)兩者有重大區(qū)別

1) 誤導(dǎo)新手的說法：

由于數(shù)組和指針的所謂等價(jià)性非常接近，不少程序員有時(shí)忽視了二者之間的其他重要區(qū)別 ，最誤導(dǎo)新手的說法之一就是 “數(shù)組和指針是相同的"，這是一種非常危險(xiǎn)的說法。

看下面這個(gè)例子：

extern int *x;
extern int x[];

• 第一條語句聲明 x 是個(gè) int 型的指針；

• 第二條語句聲明 x 是個(gè) int 型數(shù)組，長度尚未確定，即存儲(chǔ)長度在別處定義。

2) 為什么有些人會(huì)誤以為指針和數(shù)組總是可以互換？

最主要原因是：
對(duì)數(shù)組的引用 ( x[i] ) 總是可以寫成對(duì)指針的引用 ( *(x+i) )。

• 即確實(shí)存在一種指針和數(shù)組的定義完全相同的上下文環(huán)境。不幸的是，這只是數(shù)組的一種極為普通的用法，并非所有情況下都是如此。

2. 你真的理解聲明和定義嗎？

想要要真正理解為什么 extern int *x 不等于 extern int x[]，我們首先需要搞清楚什么是聲明，什么是定義。

1) 鏈接器的視角：

• C 語言中的對(duì)象必須有且只有一個(gè)定義，但它可以有多個(gè) extern 聲明。這里所說的對(duì)象跟 C++ 中的對(duì)象并無關(guān)系，這里說的對(duì)象是 從鏈接器的視角來看的，鏈接器將各個(gè)函數(shù)、變量都視為對(duì)象。

2) 定義和聲明的聯(lián)系與區(qū)別：

• 定義是一種特殊的聲明，它創(chuàng)建了一個(gè)對(duì)象；聲明簡單地說明了在其他地方創(chuàng)建的對(duì)象的名字。

• 定義只能出現(xiàn)在一個(gè)地方，它指定了對(duì)象的類型并分配內(nèi)存以創(chuàng)建新的對(duì)象。聲明可以多次出現(xiàn) 以描述對(duì)象的類型，用于指代其他地方定義的對(duì)象，它不為對(duì)象分配內(nèi)存。

• extern 對(duì)象聲明告訴編譯器對(duì)象的類型和名字，對(duì)象的內(nèi)存分配則在別處進(jìn)行。由于并未在聲明中為數(shù)組分配內(nèi)存，所以并不需要提供關(guān)于數(shù)組長度的信息 (多維數(shù)組例外)。

3) 總結(jié)成一句話：

• 定義 = 聲明 + 分配內(nèi)存 (創(chuàng)建對(duì)象)

4) 回過頭來看這個(gè)例子：

extern int *x;
extern int x[];

前者聲明了一個(gè)指針，后者聲明了一個(gè)數(shù)組，那么它們對(duì)應(yīng)的指針和數(shù)組的定義(最重要的是內(nèi)存分配) 能相等嗎？

3. 數(shù)組和指針的底層是如何訪問數(shù)據(jù)的？

現(xiàn)在我們來看看指針和數(shù)組的定義與使用。

1) "地址 X (Address)" 和 "地址 X 的內(nèi)容(Contents of Address)" 之間的區(qū)別：

對(duì)于"地址 X" 和 "地址 X 的內(nèi)容"，在 C 語言中是用同一個(gè)符號(hào)來表示這兩樣?xùn)|西，由編譯器根據(jù)上下文環(huán)境判斷它的具體含義。

2) 看下面這個(gè)例子：

X = Y

• 符號(hào) X 的含義是 X 所代表的地址，它是左值，編譯時(shí)可知;

• 符號(hào) Y 的含義是 Y 所代表的地址上的內(nèi)容，它是右值，運(yùn)行時(shí)才知;

• 左值包括可修改的左值和不可修改的左值，C 語言中，一般的數(shù)據(jù)類型都是都可作為可修改的左值，只有數(shù)組是不可修改的左值;

• 數(shù)組的地址在編譯時(shí)可知，編譯器有了這個(gè)地址 (即數(shù)組首地址)，就可以直接進(jìn)行讀寫操作。而指針必須在運(yùn)行時(shí)取得它的當(dāng)前值，然后才能對(duì)它進(jìn)行解除引用操作，才能進(jìn)行讀寫操作。

3) 數(shù)組和指針的訪問方式是不同的：

char a[9] = "abcedefgh";

• 上面這個(gè)例子中，a 是一個(gè)數(shù)組。

• 在編譯器符號(hào)表里有一個(gè)符號(hào) a ,它的地址為9980;

• 數(shù)組內(nèi)的字符都可以從這個(gè)地址 + 偏移量找到，編譯器甚至并不需要知道數(shù)組的總長度;

char c = 'F';
char *p = &c;

• 上面這個(gè)例子中，p 是一個(gè)指針。

• 在編譯器符號(hào)表中有一個(gè)符號(hào) p, 它的地址為 4624;

• p 指向的對(duì)象是一個(gè)字符。為了取得這個(gè)字符，必須得到地址 p 的內(nèi)容 (5081)，把它作為字符的地址并從這個(gè)地址中取得這個(gè)字符 ('F')。

4) 當(dāng)定義為指針 (char *p)，并以數(shù)組方式 (p[i]) 引用時(shí)會(huì)發(fā)生什么？

char *p = ”abcdefgh”
printf("%c\n", p[3]);

char *a = ”abcdefgh”
printf("%c\n", a[3]);

• p[3] 和 a[3] 都能成功訪問到字符 'd';

• a[i] 表示 "從 a 的地址開始，前進(jìn) i 步，每步都是一個(gè)字符（數(shù)組類型的長度）”;

• p[i] 表示 "從 p 所指的地址開始，前進(jìn) i 步，每步都是一個(gè)字符（即指針?biāo)割愋偷拈L度）”;

• 所以，當(dāng)你用 extern char *p 來聲明 char p[10]時(shí)，編譯器會(huì)把 p[i] 當(dāng)成一個(gè)指針(Address)，然后去獲取 *(p[i]) (即 Content of Addrss)，這時(shí)最好的結(jié)果是程序立馬崩潰，你能快點(diǎn)發(fā)現(xiàn)問題。最糟糕的情況是，程序崩潰在將來的某個(gè)時(shí)刻，你則 debug 到懷疑人生。

4. 哪些場景可以用指針代替數(shù)組？

數(shù)組和指針容易混淆使用的 2 大類場景：

• 聲明

• 在表達(dá)式中使用;

1) 聲明：
聲明的場景包括 3 種：

• 1> 不可以的場景：定義也是一種聲明，定義數(shù)組時(shí)不能用指針的形式;

• 2> 不可以的場景：extern 數(shù)組時(shí)不能改寫成指針的形式, 例如:

int char[10];    // define
extern char a[]; // ok
extern char *a;  // error

• 3> 可以的場景：函數(shù)的形參，用數(shù)組形式還是指針形式，隨你自己的喜好。

2) 在表達(dá)式中使用：

• 在表達(dá)式中，指針形式和數(shù)組形式等效。

3) 幾條重要的規(guī)則：

• 規(guī)則1："表達(dá)式中的數(shù)組名" 就是指針;

• 規(guī)則2：把數(shù)組下標(biāo)可當(dāng)作指針的偏移量;

• 規(guī)則3: "作為函數(shù)參數(shù)的數(shù)組名" 等同于指針;

5. 為什么 C 語言要把數(shù)組形參退化為指針？

• 在 C 語言中，所有非數(shù)組形式的數(shù)據(jù)實(shí)參均以傳值形式（對(duì)實(shí)參作一份拷貝并傳遞給調(diào)用的函數(shù)，函數(shù)不能修改作為實(shí)參的實(shí)際變量的值)。

• 如果要拷貝整個(gè)數(shù)組，無論在時(shí)間上還是在內(nèi)存空間上的開銷都可能是非常大的。

2) 出于簡化編譯器的考慮：

• 在 C 語言中，所有的數(shù)組在作為參數(shù)傳遞時(shí)都轉(zhuǎn)換為指向數(shù)組起始地址的指針，而其他的參數(shù)均采用傳值調(diào)用。

• 允許程序員把形參聲明為數(shù)組 (程序員打算傳遞給函數(shù)的東西) 或者指針 (函數(shù)實(shí)際所接收到的東西)。在函數(shù)內(nèi)部，編譯器始終把它當(dāng)作一個(gè)指向數(shù)組第一個(gè)元素的指針。

3) 看下面這個(gè)例子：

static int array[10], array2[10];

static void func1(int *ptr)
{
    ptr[1] = 3;
    *ptr = 3;
    ptr = array2;
}

static void func2(int array[])
{
    array[1] = 3;
    *array = 3;
    array = array2;   // OK, because array is a pointer
    printf("*array=%d\n", *array);
}

int main(void)
{
    func1(array);
    func2(array);
    
    array[1] = 3;
    *array = 3;
    array = array2; // ERROR
    return 0;
}

編譯運(yùn)行：

// main 中調(diào)用 array = array2時(shí)：
11: error: assignment to expression with array type

// 去掉 main / array = array2時(shí)：
$ ./point_array_arg
*array=0

6. 如何使用指針訪問多維數(shù)組？

1) C 語言的多維數(shù)組：

• 采用最右的下標(biāo)先變化原則，其最大的用途是存儲(chǔ)多個(gè)字符串;

• 單個(gè)元素的存儲(chǔ)和引用實(shí)際上是以線性形式排列在內(nèi)存中;

• 不能把一個(gè)數(shù)組賦值給另一個(gè)數(shù)組，因?yàn)閿?shù)組作為一個(gè)整體不能成為賦值的對(duì)象;

• 可以把數(shù)組名賦值給一個(gè)指針，是因?yàn)?strong>在表達(dá)式中的數(shù)組名被編譯器當(dāng)作一個(gè)指針;

• 指針下標(biāo)引用的規(guī)則告訴我們 pea[i][j] 被編譯器解釋為 ((pea + i) + j);

• 可以通過聲明一個(gè)一維指針數(shù)組 ( (char *)pea[4]，下標(biāo)方括號(hào)的優(yōu)先級(jí)比指針的星號(hào)高)，其中每個(gè)指針指向一個(gè)字符串，來取得類似二維字符數(shù)組的效果;

7. 相關(guān)面試題

1) 找錯(cuò)：計(jì)算字符串長度

下面這段程序是為了把字符串轉(zhuǎn)換為大寫：

#include <stdio.h>

void UpperCase(char str[])
{
    int test = sizeof(str);
    int test2 = sizeof(str[0]);

    for(size_t i=0; i<sizeof(str)/sizeof(str[0]); ++i) {
        if('a'<=str[i] && str[i]<='z')
            str[i] -= ('a'-'A');
    }
}



int main(void)
{

    char str[] = "aBcDeefGHijKL";
    printf("The length of str is %d\n", sizeof(str)/sizeof(str[0]));

    UpperCase(str);
    printf("result: %s\n", str);
    return 0;
}

運(yùn)行結(jié)果：

$ ./sizeof_array 
The length of str is 14
result: ABCDEEFGHijKL

問題出在 UpperCase() 里的 sizeof(str)，這里的 str 是一個(gè)指針而不是數(shù)組。

正確的寫法有2種：

• 給UpperCase　傳遞長度參數(shù)，這是最穩(wěn)妥的方式。
• 在UpperCase 內(nèi)使用strlen 獲取字符串長度，這種方法僅適用于以 ‘\0’ 結(jié)尾的字符數(shù)組;

相關(guān)參考

• 《你必須知道的 495 個(gè) C語言問題》, 第 6.1-6.23 章節(jié)
• 《C 專家編程》, 第 4/9/10 章節(jié)
• 《C Primer Plus 6th》, 第 10 章節(jié)
• 《C 和 C++ 程序員面試秘籍》, 第 3 章
• 《C 和指針》, NULL