数组与指针的区别，以及在STL中传递数组/指针

Posted 2020-09-05 Harley_Quinn

数组和指针在作为实参传入T[] 或T*的形参时没有区别

void f(int pi[]) { cout << sizeof(pi) << endl; }

int a[5] = { 1,2,3,4,5 };
f(a);

上述代码输出的是4（32位系统）或8（64位系统），总之不是sizeof(int) * 5（数组大小）。

为什么明明形参是数组形式的int []，实际上和指针形式的int *无异呢？关键原因就在于，数组是不能作为左值的。

函数传参并不是相当于赋值而是相当于初始化。于是，原因在于，数组不能直接用来初始化另一个数组，当然，也不能作为左值。

数组只能用初始化列表来初始化，字符数组可以例外地用字符串字面值初始化。

也就是说，你不能定义两个数组，比如int a[10], b[10];然后用a = b; 来给a赋值。

而函数的实参传给形参是要做1次赋值的，虽然很多书上区分了所谓的传值和传地址，但实际上两者是一样的，传地址不过是在指针类型之间进行赋值，见下述代码

void f1(int i) { i = 100; }
void f2(int* pi) { *pi = 100; }

int main()
{
     int i = 0, j = 0, k = 0;
     f1(i);  // 类似于 int i0 = i; i0 = 100;
     f2(&j); // 类似于 int* p = &j; int* p0 = p; *p0 = 100;
     return 0;
}

但是，在C++里传递数组也是可行的，见下面代码

template <int N> void f(int (*pi)[N]) { cout << sizeof(*pi) << endl; }

int main()
{
     int a[3] = { 1,2,3 };
     f(&a);
     return 0;
}

输出结果是12，即sizeof(int)*3。

像这样蹩脚的传递数组指针，当然，更简单的方式是使用引用，把f()的参数*pi改成&pi，然后sizeof(*pi)改成sizeof(pi)；main()里的f(&a)可以直接用f(a)，两者本质上是一样的，只不过简化了代码。虽然需要强调的是引用和指针（以及java等语言中的引用）也有一些差异，这里不详细讨论。

这样的做法本质是像下面这样。

int a[3] = { 1,2,3 };

int (*p)[3] = a;  // 形参传递给实参
cout << sizeof(p) << endl;  // 函数体内的代码

OK，这里就可以正视数组和指针的区别了，对于数组int a[N];

a的类型是int [N]，不能作为左值（也就是不能直接给a赋值），那么&a取得的则是指向int [N]的指针，表示为int (*)[N]，大小为N*sizeof(int)。

其实指针本质上就是地址，之所以有各种各样的指针类型，是为了让编译器了解，你如果想用*p来取得指针指向的对象，到底该读取多大内存？

char s[5] = "1234";
char* pch = &s[0];
cout << *pch << endl;  // 1
short* psh = &s[0];
cout << *psh << endl;  // 12849
int* pi = (int*)&s[0];
cout << *pi << endl;     // 875770417

如果把s[3]和s[4]都置为\'\\0\'（对应ASCII码为0），那么*pi和*psh结果一样，都是12849。注意，这里是因为我的机器是小端的，数据的低位保存在内存的低地址中，我让高位变成0了，自然就和没有高位没区别了。

0x0000abcd  int*   或char (*)[4]

0x       abcd  short*或char (*)[2]

0x          cd   char*

打个比方，内存中布局就类似上面那样（abcd是我随便定的值），3个指针都指向同样的地址，但是类型不同导致编译器了解你在解引用（*p）时，到底想从内存中读取多少，到底是从当前地址开始1位，2位还是4位？

 

再来看看在STL里的应用，STL的一个重要概念是迭代器，而指针也是一种迭代器（随机访问迭代器），在STL函数库（<algorithm>）中，往往接收的类型是用2个迭代器表示的数据范围（比如数组int a[3]; 用a和a+3就能表示首尾），而STL提供了传递函数的方法（可以是函数对象、函数指针或lambda表达式），这些函数接收的参数却不是迭代器，而是迭代器解引用后的对象。

因为我们实际上是要对容器中存储的数据进行操作，而不是去对数据存放的位置进行操作，取得存放位置的目的只是为了取得数据，这些工作在STL函数内部就完成了，调用者只需要告诉STL函数该如何处理数据即可（不需告诉STL函数怎么取得地址）。比如下面给出的for_each示例代码

template<class InputIterator, class Function>
  Function for_each(InputIterator first, InputIterator last, Function fn)
{
  while (first!=last) {
    fn (*first);
    ++first;
  }
  return fn;      // or, since C++11: return move(fn);
}

对于数组int a[N];只需要写std::for_each(a, a + N, [](int& i) { i = rand(); });就可以批量生成随机数了（当然，实现这个功能有个更好的函数是generate）

 

不过对于二维数组来说，一切都要更为复杂了，虽然很少用到，但是在处理二维字符数组表示的C风格字符串列表时，还是需要知道这点。

char str[M][N]; 

其中M是字符串数量上限，N是字符串长度上限，假如要批量打印str表示的字符串列表，代码如下

std::for_each(&str[0], &str[M], [](char (&s)[N]) { printf("%s\\n", s); }

还是按照上面的分析方法，str类型是char [M][N]，那么str[0]类型是char [N]，&str[0]类型是char (*)[N]，是指向N个字符的指针类型，也就是说对这样类型的指针p，每次执行++p时会移动N个字节（sizeof(char))，str[0][0]（即*str[0]）移动N个字节就到了str[0][N]，也就是str[M][0]（即*str[1]）。

那么迭代器的类型是char (*)[N]，那么解引用的类型就是char (&)[N]，即引用一个长度为N的字符数组。

再回顾之前说的，数组在作为实参传递给形参T[]时，实际上传递的是数组的首地址，也就是说，printf接收的实际上是&s[0]，即char*类型，因此可以用%s输出。

 

然而实际上还有个陷阱，比如我要对这些字符串进行排序。

std::sort(&str[0], &str[M], 
     [](char (&s1)[N], char (&s2)[N]) { return strcmp(s1, s2) < 0; }

比如这里传入的迭代器是指针类型char (*)[N]，而自定义排序函数接收的也是解引用的类型char (&)[N]，编译时却报了几十行错误。我昨天在测试ls -l的排序方法时在这里纠结了很久。

原因在于std::sort的内部实现，对于这种比较排序，内部实现经常有交换操作。

比如模板参数Iter表示迭代器类型，在函数内部可能就会有这样的代码

typedef std::iterator_traits<Iter>::value_type T; // 迭代器指向对象的类型
Iter it1, it2;
if (*it1 > *it2)
{     // 交换迭代器指向的对象
      T temp = *it1;
      *it1 = *it2;
      *it2 = temp;
}

这里的Iter是char (*)[N]的话，类型T就是char [N]，也就是数组类型。

问题来了，再回顾我这篇博客全篇唯一加红加粗的文字——数组是不能作为左值的。

那么，如果这里的类型T是char*呢？当然就是可以交换了，只不过原数组还是没变。

解决方式即定义一个长度为M的数组，数组元素类型是char (*)[N]，然后再排序