C语言编程学习：多级指针与多维数组

# 使用指针访问数组文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

指针类型的加减运算可以使指针内保存的首地址移动。 指针类型加n后。首地址向后移动 n * 步长 字节。 指针类型减n后。首地址向前移动 n * 步长 字节。 步长为指针所指向的类型所占空间大小。 例如：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

int *p = (int *)100;

• p + 1，结果为首地址向后移动sizeof(int)字节，即104。
• p - 1，结果为首地址向前移动sizeof(int)字节，即96。

因此，指针加减运算对于访问在内存中连续排布的数据对象非常方便。 而数组这种数据对象，每个元素在内存中一定是连续排布的。下面，我们来探究怎样使用指针访问数组。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

使用第一个元素获取数组首地址

既然数组元素在内存中的存储可以保证是连续的，那么第一个元素的首地址，就是整个数组的首地址。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

#include <stdio.h>
int main()
{
    int arr[5] = { 111, 222, 333, 444, 555 };
    int* p = &arr[0];
    printf("%dn", *p); // 第1个元素
    printf("%dn", *(p + 1)); // 第2个元素
    printf("%dn", *(p + 2)); // 第3个元素
    printf("%dn", *(p + 3)); // 第4个元素
    printf("%dn", *(p + 4)); // 第5个元素
    return 0;
}

我们可以使用取地址运算符&，获取第一个元素的首地址和空间大小，即获取一个 int * 类型的指针。 通过取值运算符*，可以使用指针中的首地址和空间大小访问或修改目标数据对象。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

表达式 p + 1 必须先被括号包裹，再使用取值运算符*。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

这是因为取值运算符的优先级高于算术运算符。 我们需要先让首地址移动，再进行取值操作。 若不使用括号，p会先被取值，之后值再被加1。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

• 不使用括号：
• p的值为111，p + 1的结果为112。
• 使用括号：
• (p + 1) 使得首地址移动到第二个元素， *(p + 1) 得到结果为222。

使用数组名获取数组首地址

#include <stdio.h>
int main()
{
    int arr[5] = { 111, 222, 333, 444, 555 };
    int* p = arr;
    printf("sizeof arr = %dn", sizeof(arr));
    printf("sizeof p = %dn", sizeof(p));
    printf("sizeof arr + 1 = %dn", sizeof(arr + 1));
    return 0;
}

使用32位进行编译文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

sizeof arr = 20
sizeof p = 4
sizeof arr + 1 = 4

arr 的大小为20。 p 的大小为4。 arr + 1 的大小为4。 p 是一个指针大小为4是理所当然的。 但是 arr 的大小为20，那么arr应该不是一个指针类型才对，但是它却又可以成功赋值给 int * 。 而 arr + 1 的大小却又为4。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

类型为“以T为元素的数组arr”与“指向T的指针p”的关系。

当数组名arr出现在一个表达式当中，数组名arr将会被转换为指向数组第一个元素的指针。但是，这个规则有两个例外：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

• 对数组名arr使用sizeof时。
• 对数组名arr使用&时。

也就是说，数组名arr的类型其实是 int [5] ，因此 sizeof(arr) 的结果才会是20。 数组名arr出现在表达式int* p = arr中，会被转换为指向数组第一个元素的指针，即 int [5] 转为 int * 类型。之后进行赋值运算。 arr + 1 也是一个表达式，数组名 arr 被转换为 int * 类型，进行加法运算后，仍然为 int * 类型。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

使用指针访问数组等价于下标访问

现在我们学会了访问数组元素的两种办法：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

• 数组名[下标]
• *(数组名 + 偏移量)

其中，偏移量就是指针指向的地址与数组首地址之间相差几个元素。 事实上，这两种形式是等价的。 中括号 [] ，被称作下标运算符，它的优先级高于一切其他运算符。通常的形式为：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

A[k]

而表达式运算时，最终会将下标运算符展开为：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

*(A + k)

测试一下文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

#include <stdio.h>
int main()
{
    int arr[5] = { 111, 222, 333, 444, 555 };
    printf("arr[2] = %dn", arr[2]);
    printf("2[arr] = %dn", 2[arr]);
    printf("*(arr + 2) = %dn", *(arr + 2));
    return 0;
}

• arr[2] 展开为 *(arr + 2) 。
• 2[arr] 展开为 *(2 + arr) 。

因此，使用指针访问数组等价于下标访问。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

指针作为参数传递

形参与实参相互独立

#include <stdio.h>
void swap(int x, int y)
{
    // 打印x，y的首地址
    printf("&x= %un", &x);
    printf("&y= %un", &y);
    int temp = x;
    x = y;
    y = temp;
}
int main()
{
    int a, b;
    int temp;
    a = 1;
    b = 2;
    // 打印a，b的首地址
    printf("&a= %un", &a);
    printf("&b= %un", &b);
    // 交换a，b变量
    swap(a, b);
    return 0;
}

分析过程文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

将指针作为参数传递

#include <stdio.h>
void swap(int* x, int* y)
{
    int temp = *x;
    *x = *y;
    *y = temp;
}
int main()
{
    int a, b;
    int temp;
    a = 1;
    b = 2;
    printf("a=%d b=%dn", a, b);
    // 交换a，b变量
    swap(&a, &b);
    printf("a=%d b=%dn", a, b);
    return 0;
}

不是交换指针x，y的值，而是交换目标数据对象a，b的值。所以，需要在指针前使用取值运算符*文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

为何在使用 scanf 函数时，需要对变量先取地址再传入参数

int n;
scanf("%d", &n);

scanf 会从读取从键盘的输入，转换后存储到变量n当中。被调函数 scanf 无法直接修改在主调函数中的变量n。因此，我们将变量n的指针传入 scanf 函数。通过指针使得被调函数间接地修改主调函数中的变量文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

指针不仅仅是首地址

再次强调，指针内保存的不仅仅是目标数据对象首地址，指针的类型也非常重要。 要在内存中找到一个数据对象，需要有以下两个信息。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

• 数据对象的首地址。
• 数据对象占用存储空间大小。

指针的值保存着数据对象首地址，指针类型对应着目标数据对象的类型，用于标记目标数据对象的空间大小和指针运算时的步长。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

仅有首地址的指针类型void *

由于指针类型定死了指针所指向的数据类型。为了让函数可以交换更多的数据类型，我们仅需要指针类型中保存的首地址，目标数据大小通过额外的参数传入。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

• 不同指针类型不能相互赋值，相互赋值后会造成目标数据对象类型的改变，无法通过编译。
• void* 类型为特例，它可以接受任意指针类型的赋值，也可以赋值给任意类型的指针。

void swap(void* x, void* y, int size)
{
    // 指针转为char *，单个字节操作内存
    char* pX = (char*)x;
    char* pY = (char*)y;
    char temp;
    for (int i = 0; i < size; i++)
    {
        temp = pX[i];
        pX[i] = pY[i];
        pY[i] = temp;
    }
}

由于 void _ 不能取值和加减，所以我们将其转换为 char _ 。 char * 可以提供单个单个操作内存的能力。 在C语言中 void *类型不但可以接受任意类型的指针，也可以自动转换为任意类型的指针。 但在C++中，规则稍微严格了一点， void * 仅能接受任意类型的指针，不能自动转换为其他类型的指针。为了保证代码的兼容性，我们将 void * 强制转为 char * ，避免在C++中编译出错。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

char *pX = (char *)x;
char *pY = (char *)y;

多级指针与指针数组

int * 的指针的类型为 int **文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

int **p; // 正确
int**p; // 正确
int* *p; // 正确
int * *p; // 正确
int * * p; // 正确

二级指针为例文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

#include <stdio.h>
int main()
{
    int n = 123;
    int* pn = &n;
    int** pnn = &pn;
    printf("**pnn = %dn", **pnn);
    return 0;
}

取地址过程文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

• 对n使用取地址运算符，获得n的指针pn，类型为 int * 。
• 对pn使用取地址运算符，获得pn的指针pnn，类型为 int ** 。

取值过程文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

• 对pnn使用取值运算符，将 int ** 还原为 int * 。
• 对_pnn使用取值运算符，将 int _ 还原为 int 。即，还原为n。

指针数组

p ，指向 pToArr 的第一个元素，类型为 int ** 。
*p ，指向 arr1 的第一个元素，类型为 int * 。
*p + j ，指向 arr1 中的第j个元素，类型为 int * 。
*(*p + j) ，为 arr1 中的第j个元素。

多维数组名与指针

数组指针的移动

#include <stdio.h>
int main()
{
    int b[5][10] =
    {
        {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9},
        {10,11,12,13,14,15,16,17,18,19},
        {20,21,22,23,24,25,26,27,28,29},
        {30,31,32,33,34,35,36,37,38,39},
        {40,41,42,43,44,45,46,47,48,49},
    };
    int(*pInt10)[10] = b;   // int[5][10]转为int (*)[10]
    int(*pInt) = *pInt10;   // *pInt10从int[10]转换为int *
    printf("pInt[0]=%dn", pInt[0]);    // 等价于*(pInt + 0)
    printf("pInt[1]=%dn", pInt[1]);    // 等价于*(pInt + 1)
    printf("pInt[2]=%dn", pInt[2]);    // 等价于*(pInt + 2)
    printf("pInt[3]=%dn", pInt[3]);    // 等价于*(pInt + 3)
    printf("pInt[4]=%dn", pInt[4]);    // 等价于*(pInt + 4)
    printf("pInt[5]=%dn", pInt[5]);    // 等价于*(pInt + 5)
    printf("pInt[6]=%dn", pInt[6]);    // 等价于*(pInt + 6)
    printf("pInt[7]=%dn", pInt[7]);    // 等价于*(pInt + 7)
    printf("pInt[8]=%dn", pInt[8]);    // 等价于*(pInt + 8)
    printf("pInt[9]=%dn", pInt[9]);    // 等价于*(pInt + 9)
    printf("pInt[10]=%dn", pInt[10]);  // 等价于*(pInt + 10)
    return 0;
}

另一种结果相同的表达文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

#include <stdio.h>
int main()
{
    int b[5][10] =
    {
        {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9},
        {10,11,12,13,14,15,16,17,18,19},
        {20,21,22,23,24,25,26,27,28,29},
        {30,31,32,33,34,35,36,37,38,39},
        {40,41,42,43,44,45,46,47,48,49},
    };
    int(*pInt10)[10] = b;   // int[5][10]转为int (*)[10]
    printf("*pInt10[0]=%dn", (*pInt10)[0]);    // pInt10先从int(*)[10]转为int *，再通过下标访问
    printf("*pInt10[1]=%dn", (*pInt10)[1]);
    printf("*pInt10[2]=%dn", (*pInt10)[2]);
    printf("*pInt10[3]=%dn", (*pInt10)[3]);
    printf("*pInt10[4]=%dn", (*pInt10)[4]);
    printf("*pInt10[5]=%dn", (*pInt10)[5]);
    printf("*pInt10[6]=%dn", (*pInt10)[6]);
    printf("*pInt10[7]=%dn", (*pInt10)[7]);
    printf("*pInt10[8]=%dn", (*pInt10)[8]);
    printf("*pInt10[9]=%dn", (*pInt10)[9]);
    printf("*pInt10[10]=%d", (*pInt10)[10]);
    return 0;
}

输出结果文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

*pInt10[0]=0
*pInt10[1]=1
*pInt10[2]=2
*pInt10[3]=3
*pInt10[4]=4
*pInt10[5]=5
*pInt10[6]=6
*pInt10[7]=7
*pInt10[8]=8
*pInt10[9]=9
*pInt10[10]=10

由于下标运算符[]的优先级比取值运算符*的优先级高。我们想要pInt10先从int (*)[10]转为int *，再通过下标访问。所以，需要用括号让取值先进行。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

如果数组名B出现在表达式中，会从int[5][10]转为int (*)[10]。 *B又可以看作*(B + 0)，所以*B等价于B[0]。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

对数组取地址

当数组名arr出现在一个表达式当中，数组名arr将会被转换为指向数组首元素的指针。但是，这个规则有两个例外：文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

• 对数组名arr使用sizeof时。
• 对数组名arr使用&时。

现在开始讨论第二个例外。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

int arr[10];
&arr;

arr的类型为int[10]，而对数组使用取地址运算符&。触发第二个例外，数组不会进行类型转换，而是直接取地址。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

• 对int取地址为int (*)类型的指针。
• 对int[10]取地址为int (*)[10]类型的指针。

#include <stdio.h>
int main()
{
    int arr[10];
    int(*pInt10)[10] = &arr;
    printf("pInt10=%un", pInt10);
    printf("pInt10+1=%un", pInt10 + 1);
    return 0;
}

pInt10是类型int (*)[10]类型的数组指针，步长为40。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

pInt10=7601480
pInt10+1=7601520

如果再对pInt10取地址呢？文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

• 对int[10]类型的数组取地址为int (*)[10]类型的数组指针，它指向int[10]的数组。
• 对int (*)[10]类型的数组指针取地址为int (**)[10]的二级指针，它指向int(*)[10]的指针。

注意&&arr是不对的，&arr确实可以获得一个指针。但是，这个指针是一个临时数据对象，应当将其赋值给变量才能保存它的值。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

指针与三维数组示例

#include <stdio.h>
int main()
{
    int S[2][5][10] = {
    {{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9},
    {10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19},
    {20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29},
    {30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39},
    {40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49}},
    {{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9},
    {10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19},
    {20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29},
    {30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39},
    {40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49}}
    };
    // 访问元素S[1][2][3]
    printf("S[1][2][3] = %d", *(*(*(S + 1) + 2) + 3));
    return 0;
}

分析

S + 1 类型为 int(*)[5][10] 的指针。
*(S + 1) 类型为 int[5][10] 的数组。
*(S + 1) + 2 类型为 int(*)[10] 的指针。
*(*(S + 1) + 2) 类型为 int[10] 的数组。
*(*(S + 1) + 2) + 3 类型为 int(*) 的指针。
*(*(*(S + 1) + 2) + 3) 类型为 int 的整型。

也可以故意将表达式结果赋值给一个无法转换的变量。让报错信息告诉我们表达式结果具体的类型文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

验证

指针的大小为4，整型的大小为4。 int[5][10] 数组的大小为200。 int[10] 数组的大小为40。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

对数组取地址

对 int[2][5][10] 取地址为 int (*)[2][5][10] 类型的指针。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

多级指针应用

从函数中返回指针

return关键词可以从被调函数中返回一个值到主调函数。 现在我们尝试让它返回一个指针到主调函数中。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

#include <stdio.h>
int* func()
{
    int n = 100;
    return &n;
}
int main()
{
    int* p = func();
    printf("%dn", *p);
    return 0;
}

我们在函数 func 中定义了变量n。接着return &n;取得变量n的指针，并返回到main函数。 main函数收到返回值后赋值给p，并使用指针p来访问变量n。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

这个程序看似正确，并且可以通过编译。但是，却存在潜在问题。 这是因为函数结束后，函数内部的变量也会被回收。所以，变量 n 已经失效了。再去访问它有可能正常，也有可能得到一些无意义的值或者引发错误。 这样设计的原因是因为函数与函数之间的变量是独立的，即使是同一个函数多次运行，这些变量也是独立的。在函数返回后，函数内的变量没有继续存在的意义了。所以，函数内的变量将被回收，回收后的内存空间将给接下来运行的函数使用。 如果不想让变量被回收，那么可以在变量前加上关键词**static**文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

int* func()
{
    static int n = 100; // 关键词static让变量n不被回收
    n++; // 变量n自增
    return &n;
}
#include <stdio.h>
int main()
{
    int* p = func();
    printf("%dn", *p);
    func();
    printf("%dn", *p);
    func();
    printf("%dn", *p);
    func();
    printf("%dn", *p);
    func();
    printf("%dn", *p);
    return 0;
}

现在函数 func 结束后，变量n不会被回收了。并且，重复调用func函数，使用的是同一个地址上的变量n。 因此，我们只需获取一次变量n的地址，即可观察到变量n每次调用函数都被自增。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

从函数中返回多个变量

将指针的指针，也就是二级指针作为参数传入函数。即可让被调函数“返回”多个指针。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html

void func(int** a, int** b)
{
    static int x = 100;
    static int y = 200;
    *a = &x;
    *b = &y;
}
#include <stdio.h>
int main()
{
    // 两个指针，初始化为空
    int* a = NULL;
    int* b = NULL;
    func(&a, &b); // 将指针的指针传入被调函数
    if (a != NULL && b != NULL)
        printf("a=%d b=%dn", *a, *b);
    return 0;
}

在main函数中，声明两个指针并把它们初始化为 NULL 。 **NULL** 是一个由 **#define NULL 0** 定义的符号常量。 将指针初始化为NULL，也就是将指针内保存的地址设置为0。 让指针初始化为零是一个非常好的编码习惯。 一般结合指针判空，即 if (a != NULL && b != NULL) ，来判断指针是不是有一个正确的指向了。 调用函数 func 后，两个指针均被修改为有效指针，即非0。 我们通过判断指针是不是非零来确定函数 func 已经给指针赋值了。 若指针仍然为0，则说明函数 func 并未给指针赋值，不可以使用没有明确指向的指针。 函数 func 内部， &x 、 &y 取得变量 x 、 y 的指针，类型为 int * 。 在被调函数内，为了修改主调函数中的变量，先对二级指针 a、b 取值，将 int ** 转换为 int * ，再赋 值一个 int 给它。 类似于使用一级指针作为参数时，先对一级指针 a、b 取值，将 int * 转换为 int ，再赋值一个 int 给它。文章源自菜鸟学院-https://www.cainiaoxueyuan.com/ymba/44296.html