理解C指针、数组和负索引

Question

我正在尝试学习C语言中的指针，并且为此目的参加了一次测试。以下是问题：

#include <stdio.h>

char *c[] = {"GeksQuiz", "MCQ", "TEST", "QUIZ"};
char **cp[] = {c+3, c+2, c+1, c};
char ***cpp = cp;

int main()
{
    printf("%s ", **++cpp);
    printf("%s ", *--*++cpp+3);
    printf("%s ", *cpp[-2]+3);
    printf("%s ", cpp[-1][-1]+1);
    return 0;
}

这行代码的结果：

 printf("%s ", *cpp[-2]+3);

这段内容有些让人困惑，但是让我逐步解释一下我所理解的。

• char *c[] - 是一个指向char的指针数组。
• char **cp[] - 是一个指向指向char的指针的指针数组（我认为这是*c[]的反向包装）。
• char ***cpp - 是一个指向指向char的指针的指针的指针（我认为这是**cp[]的包装，可用于就地修改）。

**++cpp - 由于cpp指向cp，那么++cpp将指向cp+1，即c+2，因此双重引用将打印出TEST。

*--*++cpp+3 - 由于现在cpp指向cp+1，那么++cpp将指向cp+2，即c+1，接下来的操作--将给我们c的指针，因此最后的引用将打印出sQuiz。

这里有些困惑：

cpp[-2] - 由于现在cpp指向cp+2，我可以确认这一点。

printf("%p\n", cpp); // 0x601090   
printf("%p\n", cp+2); // 0x601090

这里我打印了指向 c 的指针的地址。

printf("c - %p\n", c); // c - 0x601060
printf("c+1 - %p\n", c+1); // c+1 - 0x601068
printf("c+2 - %p\n", c+2); // c+2 - 0x601070
printf("c+3 - %p\n", c+3); // c+3 - 0x601078

所以，当我像这样去解引用 *(cpp[0]) 或者 **cpp 时，我期望得到的值是 c+1 中的 MCQ

printf("%p\n", &*(cpp[0])); // 0x601068

但是当我说*(cpp[-2])时，我得到了QUIZ，但我更期望得到一些垃圾值。

所以我的问题是:

1. How the magic with *--*++cpp+3 works, I mean what is modified by the -- part that allows me to get MCQ instead of TEST when I dereference like this **cpp, I assume that this pointer *++cpp+3 preserves the state after the -- is applied, but cannot imagine yet how it works.

2. Why the following works the way it works (the cpp[-2] part):

   printf("%p\n", &*cpp[1]); // 0x601060 -> c
   printf("%p\n", &*(cpp[0])); // 0x601068 -> c+1
   printf("%p\n", &*(cpp[-1])); // 0x601070 -> c+2
   printf("%p", &*(cpp[-2])); // 0x601078 -> c+3
   

看起来顺序相反了，我可以接受&*(cpp[0])指向c+1，但我希望&*cpp[1]指向c+2，&*(cpp[-1])指向c。 我在这个问题中找到了答案：Are negative array indexes allowed in C?

3. 显然我混淆了很多东西，并且可能称某些不是指针的东西为指针，我想掌握指针的概念，所以如果有人能告诉我哪里错了，我会很高兴。

- MisterAlejandro

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如果有人认为只有通过理解这样差劲的编程实践才能学会一门语言，那么他们是错的。放弃他们。 - R Sahu

你可能忽略了中括号可以被视为运算符，因此cpp[n]这个术语实际上与*(cpp + n)相同。 因此，使用负值作为n是可以接受的，但在实践中很少使用。 因此，负下标只是从指针cpp向后移动。 - bruceg

@RSahu 真的，我无法忍受老师选择出这种"陷阱"问题。这是可怕的编码实践，任何人都不应该遇到这种情况。如果这种问题进入了生产代码，就意味着公司没有实施最基本的代码审查实践。 - Christian Gibbons

我意识到 *--*++cpp+3 不是正确的写法，但那些棘手的测验问题仍然帮助我提高了对指针的理解。别担心，你不会看到我的 C 代码，我只是学习指针并离开。 - MisterAlejandro

@MisterAlejandro - 我们的意思是，学习 *--*++cpp+3 不重要，因为它从未被使用过。我不知道它是做什么的，但我并不在意（查看我的灰色胡须可以看出我已经工作很长时间了，而没有需要这个）。你应该把学习重点放在你实际可以使用的东西上。 - Bo Persson

Answer 1

让我先澄清一下负索引混淆的问题，因为我们稍后将用它来回答其他问题：

当我说 *(cpp[-2]) 时，我得到的是 QUIZ，但我更希望得到一些垃圾值。

负值是可以的。请注意以下内容：

按照定义，下标运算符 E1[E2] 与 *((E1)+(E2)) 完全相同。

知道了这一点，既然 cpp == cp+2，那么：

cpp[-2] == *(cpp-2) == *(cp+2-2) == *cp == c+3

因此：

*cpp[-2]+3 == *(c+3)+3 == c[3]+3

这句话的意思是，它表示“QUIZ”的地址再加上一个指向char类型的指针的3个位置，因此你将字符“Z”的地址传递给printf函数，这意味着它将从那里开始打印字符串。

实际上，如果你想知道，"-2[cpp]"也是等效且有效的。

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现在，问题是：

1. *--*++cpp+3 这个魔法是如何工作的？我的意思是，-- 部分修改了什么，使得我通过像这样解引用 **cpp 能够获得 MCQ 而不是 TEST。我假设指针 *++cpp+3 在 -- 应用后保留了状态，但我还不能想象它是如何工作的。

让我们来分解一下（请记住，在这里，cpp == cp+1，正如你正确指出的那样）：

    ++cpp   // cpp+1 == cp+2 (and saving this new value in cpp)
   *++cpp   // *(cp+2) == cp[2]
 --*++cpp   // cp[2]-1 == c (and saving this new value in cp[2])
*--*++cpp   // *c
*--*++cpp+3 // *c+3

这指向了您正确指出的。然而，cpp和cp [2]已被修改，所以现在您有：

cp[] == {c+3, c+2, c, c}
cpp  == cp+2

事实上，问题的其余部分并没有使用 cp [2] 发生变化，但是需要注意——特别是因为您打印了指针的值。请看：

2. Why the following works the way it works (the cpp[-2] part):

   printf("%p\n", &*cpp[1]); // 0x601060 -> c
   printf("%p\n", &*(cpp[0])); // 0x601068 -> c+1
   printf("%p\n", &*(cpp[-1])); // 0x601070 -> c+2
   printf("%p", &*(cpp[-2])); // 0x601078 -> c+3
   

首先，让我们将&*x简化为x。然后，做与上面类似的事情，如果cpp == cp+2（如上所述），您可以看到：

cpp[ 1] == cp[3] == c
cpp[ 0] == cp[2] == c   // Note this is different to what you had
cpp[-1] == cp[1] == c+2
cpp[-2] == cp[0] == c+3

“我显然混淆了很多东西，可能会称某些东西为指针，但实际上并不是指针，我想理解指针的概念，所以如果有人能告诉我哪里错了，我会很高兴。”

你的理解其实已经很好了！基本上，指针是代表内存地址的整数。但是，当你对它执行算术运算时，它会考虑到它所指向类型的大小。这就是为什么，如果c == 0x601060且sizeof(char*) == 8，那么：

c+1 == 0x601060 + 1*sizeof(char*) == 0x601068 // Instead of 0x601061
c+2 == 0x601060 + 2*sizeof(char*) == 0x601070 // Instead of 0x601062

- Acorn

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是的，我确实没有足够注意到 *((E1)+(E2))，但现在一切都变得很清晰了。而且你对于 cpp[ 0] == cp[2] == c // 注意这和你之前写的不同 的说法是正确的，那是因为我将 printf("%s ", *--*++cpp+3); 注释掉了，并在后面只放置了 ++cpp，以测试它如何影响结果，然后忘记恢复了。 - MisterAlejandro