第五章 指针和数组

指针是包含变量地址的变量。在 C 语言中，指针被大量使用，部分原因是有时只能用指针来表达某种计算，而部分原因是相比其他方式，指针通常能带来更紧凑和高效的代码。指针和数组是紧密关联的；本章也讲探讨它们的关系，并演示如何利用这个关系。

指针曾经和 goto 语句一起，被归结为用于创建“让人不可能理解”的程序的绝妙方式。如果粗心大意地使用指针，这个说法当然是对的，而且很容易创建指向不可预料位置的指针。然而，通过训练和规范约束，指针可以用来得到清晰性和简洁性。这正是我们在本书中尽量展示的方面。

ANSI C 的主要改动是把如何操纵指针的规则给明确了，实际上就是把优秀程序员已有的实践，和优秀编译器已加强的地方，做成了强制要求。另外，void * 类型（指向 void 的指针）取代了 char * ，作为通用指针的正确类型。

5.1 指针和地址

我们先从内存组织的简化图开始。一台典型的机器有一组连续编号或者叫编址的内存单元，这些内存单元可以被各自独立操作，或者是按连续分组进行操作。通常的情况是任一个字节可以是一个 char， 一对单字节的内存单元可以被当作是 short 整型，而四个连续的字节组成一个 long。指针是一组（通常是2个或4个）可以保存地址的单元。这样，如果 c 是一个char 而 p 是指向它的指针，则我们可以用下图来表示这种情况：

一元操作符 & 给出一个对象的地址，因此如下语句

p = &c;

把 c 的地址赋给 p，而 p 被称作“指向” c。操作符 & 只能用于内存中的对象：变量和数组元素。它不能用于表达式、常量 或者寄存器（register）变量。

一元操作符 * 是 间接 或者叫 解引用 操作符；当用于指针时，它访问指针指向的对象。假定 x 和 y 是整数而 ip 是指向 int 的指针。下面这段人为构造（但没有实际用途）的代码，演示了如何声明指针，以及如何使用 & 和 *：

int x = 1, y = 2, z[10];
int *ip;        /* ip是指向int的指针 */

ip = &x;        /* ip现在指向x */
y = *p;         /* y现在是1 */
*p = 0;         /* x现在是0 */
ip = &z[0];     /* ip现在指向z[0] */

x，y，z的声明不需要多说了。指针 ip 的声明为

int *ip;

这种形式旨在助记；它表示表达式 *ip 是一个 int。变量声明的语法，模仿了变量可以在其中出现的表达式的语法。这个推理也适用于函数声明。例如

double *p, atof(char *);

表示，在一个表达式中，*p 和 atof(s) 都有着 double 类型的值，而 atof 的参数是 char 的指针。

你还应当注意到有个隐含的约束：指针被限制指向一种特定的对象类型。（有一个例外，“指向 void 的指针”被用来保存任意类型的对象，但不能对它自身解引用。我们会在5.11节说明）

如果 ip 指向整数 x，则 *ip 可以出现在任何 x 可以出现的上下文中，因此

*ip = *ip + 10;

将 *ip 增加10。

一元操作符 & 和 * 比算术操作符的结合更为紧密，因此赋值表达式

y = *ip + 1

首先取出 ip 所指向的对象，将其加1，并把结果赋给 y。而

*ip += 1

会把 ip 指向的对象递增，正如

++*ip

和

(*ip)++

最后一个例子中的括号是必须的；如果没有括号，则表达式会对 ip 递增，而不会对它指向的内容递增，因为一元操作符 * 和 ++ 是从右至左结合。

最后，由于指针是变量，那么不解引用也可以使用它们。例如，如果 iq 是另一个 int 的指针，

iq = ip

将 ip 的内容拷贝给 iq，这样就使 iq 也指向 ip 所指的对象了。

5.2 指针和函数参数

由于C将参数传给函数时是值传递，因此没有直接的方法可以使被调函数修改调用者函数中的变量。例如，一个排序例程可能会用一个 swap 函数来交换两个无序的元素。如果写

swap(a, b);

其中 swap 函数的定义为

void swap(int x, int y)    /* 错误 */
{
    int temp;

    temp = x;
    x = y;
    y = temp;
}

但这样是不行的。因为所有调用都是值传递，swap 不能影响调用它的例程中的参数 a 和 b。上面的函数只是交换了 a 和 b 的拷贝。

要得到想要的效果，方法是让调用程序传递要修改的值的指针：

swap(&a, &b);

由于操作符 & 得到了变量的地址，&a 是 指向 a 的指针。在 swap 之中，参数被声明为指针，而通过它们来间接访问操作数。

void swap(int *px, int *py)    /* 交换 *px和 *py */
{
    int temp;

    temp = *px;
    *px = *py;
    *py = temp;
}

用图来表示就是：

指针参数使一个函数能够访问并改变调用它的函数中的对象。举个例子，考虑实现一个函数 getint ，该函数执行自由格式的输入转换：将一个字符流拆分成多个整数值，每次调用得到一个整数。getint 必须返回它所找到的值，也必须在没有更多输入时指示文件结束。这两个值必须通过不同的路径返回，因为不管EOF使用什么值，都有可能是一个输入整数的值。

一种解决方案是让 getint 把文件结束状态作为函数返回值，而同时使用一个指针参数来保存转换后的整数，传递回给它的调用者函数。这也是 scanf 使用的模式，详见 7.4节。

下面的循环通过调用 getint 来填充整型数组：

int n, array[SIZE], getint(int *);

for (n = 0; n < SIZE && getint(&array[n]) != EOF; n++)
    ;

每次调用都将 array[n] 设置为从输入中找到的下一个整数，并对 n 递增。注意，必须将 array[n] 的地址传给 getint 。否则，getint 没有办法将转换后的整数传给调用者。

我们这个版本的 getint 在文件结尾时返回 EOF，在下一个输入不是数字时返回0，而在输入包含合法的数字时返回一个正值：

#include <ctype.h>

int getch(void);
void ungetch(int);

/* getint: 将下一个整数从输入存入 *pn */
int getint(int *pn)
{
    int c, sign;

    while (isspace(c = getch()))    /* 跳过空白字符 */
        ;
    if (!isdigit(c) && c != EOF && c != '+' && c != '-') {
        ungetch(c);        /* 非数字 */
        return 0;
    }
    sign = (c == '-') ? -1 : 1;
    if (c == '+' || c =='-')
        c = getch();
    for (*pn = 0; isdigit(c); c = getch())
        *pn = 10 * *pn + (c - '0');
    *pn *= sign;
    if (c != EOF)
        ungetch(c);
    return c;
}

在 getint 内， *pn 自始至终 都被当作普通的 int 变量来使用。我们还使用了 getch 和 ungetch（见4.3节），因此多读但又不得不读的一个字符，就能被推回给输入。

练习5-1、在我们的getint版本中，后面没有跟数字的单独的 + 和 - 号，也被当作是合法的数字，其值为 0。修改这个问题，将这种字符推回给输入。

练习5-2、模仿 getint，写一个浮点数版本的 getfloat 函数。 getfloat 用什么类型作为其返回值？