C 語言指針進階全攻略：地址運算、字符指針、指針數組、多維數組與函數指針

前言

指針是 C 語言的靈魂，也是區分初學者與資深工程師的分水嶺。本文從內存模型出發，系統講解指針算術、自定義內存分配器、字符串操作、指針數組排序、多維數組參數傳遞、函數指針等核心主題，並附帶可編譯運行的完整代碼示例。

一、指針算術運算與自定義內存分配器

1.1 指針算術核心規則

• p + i 的地址增量 = i * sizeof(*p)，自動按元素類型縮放
• 同一數組內的指針可比較、相減（得 ptrdiff_t），跨數組無意義
• 指針只能與整數加減、與 0 比較/賦值（NULL）

1.2 手寫 alloc/afree 內存池

原理：預分配大型靜態字符數組 alloc_buf，維護指針 allocp 指向下一個空閒位置，實現棧式（LIFO）分配釋放。

#define ALLOCSIZE 1000
static char alloc_buf[ALLOCSIZE];
static char *allocp = alloc_buf;

char *alloc(int n) {               // 申請 n 字節
    if (alloc_buf + ALLOCSIZE - allocp >= n) {
        allocp += n;
        return allocp - n;         // 返回本次分配起始地址
    }
    return NULL;                   // 空間不足
}

void afree(char *p) {              // 釋放，必須按 LIFO 順序
    if (p >= alloc_buf && p < alloc_buf + ALLOCSIZE)
        allocp = p;
}

關鍵點：static 限制文件內可見，隱藏實現細節；釋放順序必須與分配順序相反，否則 allocp 回退會導致內存洩漏或覆寫。

二、字符指針與字符串操作經典實現

2.1 字符串常量 vs 字符數組

2.2 指針版 strcpy/strcmp/strlen

// 指針版 strcpy：經典單行寫法
void strcpy_ptr(char *dst, const char *src) {
    while (*dst++ = *src++);  // 賦值後雙雙後移，遇 \0 停止
}

// 指針版 strcmp
int strcmp_ptr(const char *s, const char *t) {
    for (; *s == *t; s++, t++)
        if (*s == '\0') return 0;
    return *s - *t;
}

// 指針版 strlen
size_t strlen_ptr(const char *s) {
    const char *p = s;
    while (*p++) ;  // 移動到 \0 後一位
    return p - s - 1;
}

2.3 棧操作慣用語

• 入棧：*p++ = val;（先存後增）
• 出棧：val = *--p;（先減後取）

三、指針數組：高效處理可變長文本行

3.1 核心思想

不移動文本內容，僅操作指向行首的指針。排序時交換指針而非數據，消除大塊內存拷貝開銷。

3.2 完整程序：讀取、排序、輸出文本行

#define MAXLINES 100
#define MAXLEN   100
#define ALLOCSIZE 11000

char *lineptr[MAXLINES];  // 指針數組
static char allocbuf[ALLOCSIZE];
static char *allocp = allocbuf;

char *alloc(int n) { /* 同前 */ }
void afree(char *p) { /* 同前 */ }

int get_line(char *s, int lim) { /* 讀一行，返回長度 */ }

int readlines(char *lineptr[], int maxlines) {
    int len, nlines = 0;
    char line[MAXLEN], *p;
    while ((len = get_line(line, MAXLEN)) > 0) {
        if (nlines >= maxlines || (p = alloc(len + 1)) == NULL)
            return -1;
        line[len - 1] = '\0';  // 去換行符
        strcpy(p, line);
        lineptr[nlines++] = p;
    }
    return nlines;
}

void writelines(char *lineptr[], int nlines) {
    for (int i = 0; i < nlines; i++)
        printf("%s\n", lineptr[i]);
}

// 快速排序（指針數組版）
void qsort_ptr(char *v[], int left, int right) {
    if (left >= right) return;
    swap(v, left, (left + right) / 2);
    int last = left;
    for (int i = left + 1; i <= right; i++)
        if (strcmp(v[i], v[left]) < 0)
            swap(v, ++last, i);
    swap(v, left, last);
    qsort_ptr(v, left, last - 1);
    qsort_ptr(v, last + 1, right);
}

四、多維數組與指針參數傳遞

4.1 日期轉換案例：二維數組存儲月天數

static char day_table[2][13] = {
    {0, 31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31}, // 平年
    {0, 31, 29, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31}  // 閏年
};

int leap(int year) {
    return (year % 4 == 0 && year % 100 != 0) || (year % 400 == 0);
}

// 月日 -> 年內天數
int day_of_year(int year, int month, int day) {
    for (int i = 1; i < month; i++)
        day += day_table[leap(year)][i];
    return day;
}

// 年內天數 -> 月日（輸出參數用指針）
void date_of_year(int year, int yearday, int *pmonth, int *pday) {
    int lp = leap(year);
    int i = 1;
    while (yearday > day_table[lp][i])
        yearday -= day_table[lp][i++];
    *pmonth = i;
    *pday = yearday;
}

4.2 二維數組作函數參數的正確聲明

本質：函數接收的是指向首行的指針，編譯器需要知道「一行有多少列」才能正確計算 a[i][j] 的地址偏移。

五、指針數組 vs 二維數組：內存佈局對比

// 指針數組：存 13 個指針，各指向字符串常量（長度不一）
static char *name_ptr[] = {"Illegal", "January", "February", ...};
// sizeof(name_ptr) = 13 * sizeof(char*) = 104 bytes (64位)

// 二維數組：連續存 13 行 × 20 列 字符
static char name_2d[][20] = {"Illegal", "January", "February", ...};
// sizeof(name_2d) = 13 * 20 = 260 bytes

結論：指針數組適合存儲長度不一的字符串，節省空間；二維數組適合固定寬度數據，訪問速度略快（連續內存、無間接引用）。

六、函數指針速覽

// 聲明：指向「接受 int, 返回 int」函數的指針
int (*func_ptr)(int);

// 賦值
int square(int x) { return x * x; }
func_ptr = square;

// 調用
int result = func_ptr(5);  // 25

// 回調示例
void apply(int *arr, int n, int (*op)(int)) {
    for (int i = 0; i < n; i++) arr[i] = op(arr[i]);
}

總結

1. 指針算術：按元素大小縮放，同數組內才有意義
2. 內存池：大數組 + 偏移指針 + LIFO 釋放，嵌入式常用
3. 字符指針：區分常量區與棧區，掌握 *p++ 棧操作慣用語
4. 指針數組：排序、存儲可變長字符串的利器
5. 多維數組參數：必須提供列數，本質是指向數組的指針
6. 函數指針：實現回調、策略模式的基礎

深度理解指針，即掌握了 C 語言操控內存的核心能力。