C 語言指針運算與指針數組關係深度解析（三）

前言

指針運算是 C 語言靈活高效操作記憶體的核心機制。本文詳細闡述指針比較、指針-整數加減、指針差值運算的規則與語義，並揭示指針與數組「等價但不相同」的深層關係，為掌握指針算術奠定堅實基礎。

一、指針允許的運算類別

1. 指針比較（關係運算）

• 前提：兩指針指向**同一數組**（或同一分配塊）內的元素，比較才有定義語義。
• 支援運算符：== != < > <= >=。
• 語義：比較在數組中的相對位置。p < q 表示 p 指向的元素在 q 之前。
• 未定義行為：指向不同數組、不同 malloc 塊、一個指向數組一個指向標量的指針比較（除 ==/!= 外）。

2. 指針與整數加減

• 形式：p + n、p - n、n + p（n 為整數）。
• 語義：結果指向偏移 n 個**元素**的位置（非位元組）。
• 縮放因子：編譯器自動乘以 sizeof(*p)（所指類型大小）。

例如：int *p 指向 a[0]，則 p+3 指向 a[3]，位移 6 位元組。

3. 指針差值（減法）

• 前提：同一數組內兩指針。
• 結果：p - q 為 **ptrdiff_t** 有符號整數，表示相隔元素個數（非位元組）。
• 縮放規則：位元組差值除以 sizeof(*p)。
• 應用：計算數組長度、當前索引、剩餘元素數。

二、指針與數組：等價但不相同

核心宣稱

「任何能由數組下標完成的操作，均可用指針實現；指針代碼更緊湊、更靈活。」

關鍵等價關係表（以 int a[5]、int *pa = a 為例）

本質區別

• 數組名：常量地址，**不可修改**（a++ 非法），編譯期確定大小。
• 指針變量：可修改左值（**可賦值、自增、自減**），運行時動態綁定。
• sizeof：sizeof(a) = 整個數組大小；sizeof(pa) = 指針大小。

/* 模式 1：指針自增遍歷 */
int *pa = a;
for (int i = 0; i < 5; i++) {
    *pa = i;      // 賦值
    pa++;         // 移至下一元素
}

/* 模式 2：指針作循環條件 */
int *pend = a + 5;
for (int *p = a; p < pend; p++) {
    printf("%d ", *p);
}

/* 模式 3：指針差值計算已處理數 */
int *pa = a;
int *start = pa;
while (pa < a + 5) *pa++ = 0;
printf("Cleared %td elements\n", pa - start);