C 語言指標進階測驗：三道經典題目驗證你的指標功力

題目一：負索引存取

#include <stdio.h>
int main(void)
{
    char *p = NULL;
    char *tmp = "12345678";
    p = (char *)(tmp + 4);   // tmp 指向 '1'，tmp+4 指向 '5'
    // p[-1] = ?   p[-5] = ?
    return 0;
}

解析

• tmp 位址設為 base，內容 '1','2','3','4','5','6','7','8','\0'。
• p = base + 4 → 指向 '5'（索引 4）。
• p[-1] 等價 *(p - 1) = *(base + 3) = '4'。
• p[-5] 等價 *(p - 5) = *(base - 1) → 未定義行為（越界存取字串常量前方記憶體）。

答案：p[-1] == '4'；p[-5] 觸發 UB，可能崩潰或讀到垃圾值。

題目二：型別轉換與記憶體重疊

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
    char *data = "12345678";
    short *tmp = NULL;
    char p[6] = {0};

    tmp = (short *)&p[2];           // tmp 指向 p[2], p[3] (2 bytes)
    *tmp = atoi(&data[4]);          // data[4]='5'，atoi("5678")=5678 = 0x162E

    // p[0]..p[5] = ?
    return 0;
}

解析

• p 初始全 0：[0,0,0,0,0,0]。
• tmp 指向 &p[2]，寫入 short 值 5678 (0x162E)。
• 假設小端序（x86/ARM 常見）：
  • p[2] = 低位元組 0x2E (46) → ASCII '.'
  • p[3] = 高位元組 0x16 (22) → 控制字元
• 大端序則相反：p[2]=0x16, p[3]=0x2E。
• p[0], p[1], p[4], p[5] 保持 0。

答案（小端序）：p = {0, 0, 46, 22, 0, 0}（以數值顯示）。

題目三：任意位址解參考

int *p = (int *)0x1234;
printf("p = %p, *p = %d\n", p, *p);

解析

• p 值為 0x1234，列印無問題。
• *p 嘗試讀取實體/虛擬位址 0x1234 的 4 位元組。
• 用戶態程式無權存取該位址 → 作業系統送出 SIGSEGV (Segmentation fault)，程式終止。
• 嵌入式無 MMU 環境或核心模組中可能合法，但標準用戶態 C 程式**絕對非法**。

答案：程式崩潰（Segmentation fault），無法正常輸出。

核心知識點總結

1. 指標算術：p[i] ≡ *(p+i)，負索引合法前提是結果位址在同一合法物件範圍內。
2. 型別懲罰/別名規則：透過 short* 存取 char[] 違反 Strict Aliasing Rule，行為未定義（雖多數編譯器在低優化下按預期工作）。
3. 端序影響：多位元組型別在記憶體中位元組序與 CPU 架構相關。
4. 位址空間隔離：用戶態無法隨意解參考任意數值位址，需 mmap、ioremap 等機制映射。

避坑建議

• 嚴禁對字串常量指標做負索引越界存取。
• 型別轉換指標時使用 union 或 memcpy 避免 Strict Aliasing 違規。
• 嵌入式開發確認目標平台端序，編寫可移植程式碼。
• 永遠檢查指標有效性再解參考（NULL、對齊、映射範圍）。