C++中的指针和数组

最近看C++编程思想，看到第十三章动态内存管理的时候把自己给绕进去了，主要是在数据和指针这块弄混了。现在把找到的一些资料总结如下：

1. 数组是数组，指针是指针，两者并不等价；

2.数组在作为左值的时候一般是数组自己，而放在右值往往被转换成一个常量指针；

3.下标运算符其实是针对指针的，只是数组变成指针后也适用于了数组；

4.对数组取地址符在很早以前是错误的，因为数组名本身就是数组的地址，对地址去地址显然不对，后来被C++标准定为合法的，表示指向数组对象的指针。

对于 int a[100]; int b[10][100];

1. a表示数组本身，放在右值时是数组第一个元素的地址，其类型是&a[0]，因此可以有*(a+1); a[i]，但是如果是sizeof(a)，则为数组的大小100*4。

2. &a的类型是int (*)[100]，因此&a + 1得到的地址是a的地址加上整个数组的大小400，但是sizeof(&a)得到的是a的大小400。

3.下标符只能由指针使用，除非是重载，p[1] 等价于*(p+1)，在使用二维数组可能会陷入混乱，例如：

　　int **ptr = (int **)&b;

ptr[i]的值类型是指针(int *)，但是其值是b的元素值(按照内存中的位置顺序取)，如果使用ptr[1][0]很可能是未定义的，因为这时是取了b的元素并把它作为指针再取一次值，除非b的元素本来就是指针。

4. a+1的类型是指向a的行元素的指针，对它取值*(a+1)得到的类型是a的行元素的类型。这里是int型指针，和int型的值。

　如果是b的话，b+1的值和*(b+1)的值相同，但是类型不同，b+1表示的是指向数组的普通指针，而*(b+1)表示的是类型为int [100]的数组。

因此sizeof(b+1)=4, 而sizeof(*(b+1)) = 400，但是两者的值都是相同的地址值。

资料：

C语言中，数组和指针都有a[N]取元素的语法，因此也是初学者容易混淆的地方。这个问题要知其所以然并不容易。理解这个问题，需要涉及到C语言中最基本但也最容易忽略的概念：左值/右值 (lvalue/rvalue)。

在开始这个问题之前，首先要区别“变量”和“值”(/对象)是两个不同的概念。“变量”是一块有名字的存储区域，“值”是某种类型的二进制数据，可能存储在某段内存，或者在寄存器、或者是代码中的字面量。“变量”是对某个值起一个名字，这样可以索引到值的存储位置。

C语言中，表达式(expression)的结果是一个“值”。单独的一个变量名（如a）或者单独的字面量（如1）也是表达式。左值/右值 是值的一个基本属性，C语言中非左值即右值。左值表达式表示了某个值的存储位置，右值表达式表示某个值所存储的数据。

左值性的具体讨论请参看参考链接1。一般来说，赋值操作等号左边是(可修改的)左值，右边取右值。所以

int i,j;
i = 0; // OK: i is lvalue, 1 is rvalue
0 = i; // error: 0 is not lvalue
i = j; // OK. why?

为什么可以写 i = j 这样的赋值操作呢？因为C语言中有一个叫做lvalue-to-rvalue conversion的默认类型转换。当赋值操作右边是一个左值时，会默认转换为右值。这样的一个转换代表了对左值表达式 j 所存储内容的一次“读取”。类似的，C语言中按值传参，用左值表达式作为函数参数时，也会进行 lvalue-to-rvalue conversion。

void foo(int);
foo(0); // OK, need rvalue
foo(i); // OK. lvalue-to-rvalue conversion

讲到这里，我们切入正题：数组、指针是左值吗？答案是当然，因为他们都代表了一个存储位置。不同的是，数组a作为变量，所代表的位置是数组元素的存储位置；指针a作为值(右值)，是一个内存地址，而作为变量(左值)，所代表的位置是这个地址的存储位置。数组是一个不可修改的左值，指针如果没有指定const，则是可以修改的。

int a[4];
int *p, i, j;
a = 1; // error
p = &i; // OK
p = &(a[1]); // OK

数组和指针的存储区域如图所示（仅为示意，并不代表实际的内存layout）

理解了这个概念，“取地址”怎么用的问题就很显然了。“取地址”的操作就是对于一个左值表达式，取出其表示的内存位置。（仅为示意，并不代表实际的内存layout）

&a; // 0xa000 类型为int (*) [4]，数组的地址
&(a[1]); // 0xa004 类型为 int*，某个整型元素的地址
&p; // 0xa010 类型为 int**，指针的地址

现在问题来了，挖掘机..哦不，数组，为什么可以赋值给指针？

p = a; // OK. why?

在C语言中，对于数组类型的左值，lvalue-to-rvalue conversion有一个特例，叫做array-to-pointer conversion（类似的还有function-to-pointer conversion）。在需要右值的场合，如果给出一个数组名，那么数组名会被转换为其首个元素的地址，类型为指向元素的指针。

void foo(int *p);
foo(a); // OK. array-to-pointer conversion
int **q = &a; // warning: initialization from incompatible pointer type

在需要左值的场合，a仍然是数组类型，所以&a的类型是指向数组的指针，而非指向元素的指针！

那么，下标运算符[]是什么？为什么数组和指针兼容下标运算？下标运算符的左侧表达式，是左值还是右值？稍稍想一下会发现，原来下标运算符只需要一个指针类型的右值即可。

int k = a[1]; // equivalent to *(a+1)
int **q;
(*q)[2]; // OK. *q is rvalue of int*

那么结论就很清楚了，在下标表达式中，数组会通过array-to-pointer conversion转换为指针右值，而指针类型，无论左值右值，都可以转换为指针右值。所以下标操作符自古以来就是为指针准备的，数组只是通过内置转换，捎带着实现了下标运算。这个结论，是否有些让人震惊呢？

参考链接：

1. [FAQ] C/C++的左值 http://www.newsmth.net/nForum/article/CPlusPlus/179727?s=179727
2. Is array name a pointer in C?