从 &a+1 说起————数组变量、&和+运算符

摘录

对于数组a，&a+1 输出了什么？&和+在这里的作用是什么？

&a+1 == ?

这个问题由和同学聊到这个标题而来，其中 a 是一个数组的名字。

一开始我想当然地认为：&a 取得数组首地址，+1 指向数组首地址的下一个地址（字节）。但是事实并非如此，事实上，上面这个算式指向的数组末尾地址 +1 的那个地址。

为了搞懂这个问题，必须要理解一个在这之前的学习中被忽略的问题，即：数组是什么类型？int 型变量和 int 型数组和长度不同的 int 型数组，属于相同的变量类型吗？进而，我了解到了引用、左值与右值、以及关于指针的一些知识。

开始探索吧。

测试代码

我们以 c++ 来讨论这个问题，为此，定义变量并写下测试程序如下，我们稍后解释测试结果：

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// 数组
int a[5];

// 非数组变量
int t = 2;
int *p = &t;

// 引用
int n = 4;
int &nn = n;

// 数组值、大小
printf("value: %d %d %d %d %d %d\n", a, &a, a + 1, &a + 1, (int *)&a + 1, (char *)&a + 1);
printf("sizeof: %d %d %d %d\n", sizeof(a), sizeof(&a), sizeof(a + 1), sizeof(&a + 1)); // 20 8 8 8
cout << "type: " << typeid(a).name() << ' ' << typeid(&a).name() << ' ' << typeid(a + 1).name() << ' ' << typeid(&a + 1).name() << endl;

// 变量
cout << "\nsingle\nvalue: " << p << ' ' << p + 1 << ' ' << &p << ' ' << &p + 1 << ' ' << ' ' << *p << " " << *p + 1 << endl;
cout << "sizeof: " << sizeof(p) << ' ' << sizeof(&p) << ' ' << sizeof(*p) << endl;
cout << "type: " << typeid(p).name() << ' ' << typeid(&p).name() << ' ' << typeid(*p).name() << endl;

// 引用
cout << "\n变量引用\ntype: " << typeid(n).name() << ' ' << typeid(&n).name() << ' ' << typeid(nn).name() << endl;

在上述代码中，我们使用了 sizeof 来检查输出变量的大小，typeid 运算符检查变量的类型。typeid 的 name 方法输出变量类型的名字。如下解读：A 指代 array，i 指代 int 型，P指代 pointer。其他的没有出现在输出中。
它的输出如下：

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value: 6487488 6487488 6487492 6487508 6487492 6487489
sizeof: 20 8 8 8
type: A5_i PA5_i Pi PA5_i

single
value: 0x62fdb8 0x62fdbc 0x62fdb0 0x62fdb8  2 3
sizeof: 8 8 4
type: Pi PPi i

变量引用
type: i Pi i

对测试结果的解释

数组变量和数组退化

在定义一个数组变量，编译器将为数组分配一块连续的地址空间，并且产生一个数组变量 a。在这里，a 是数组名，也即所谓数组变量。数组变量是一种特殊的变量类型，它包含有【数组长度】个【数组单元变量类型】的变量。例如，我们的数组变量 a 就是包含了 5 个 int 型单元的数组变量。它不是一个 int 型变量，也不是含糊其辞的数组型变量。在我们是输出结果中，这被写作A5_i。

在很多情况中，数组变量 a 的表现和一个指向 a[0] 的指针一样，但是它们并不一样：指针不包含长度信息。很显然数组变量指明了数组的长度，但是一个指针并不清楚自己指向了一个数组单元还是一个变量。从数组变量变成指针，我们称之为“数组退化”。

“数组退化”的发生情况很多，最常见的一种是把它作为参数传入以后。为什么要这么设计很好理解：不同长度的数组是不同类型的变量，如果不退化成指针，写函数时就必须指定数组的长度，这很不方便。如果退化成指针，我们只需要再加一个参数指明数组长度就可以解决问题。

左值和右值

另一种会导致数组变化的原因是将其作为了右值。

左值和右值是 c++11 引入的特性。左值指能在内存寻址的值，右值则不是。我们用下面这个例子进行区分：

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int i;
i= 12;

很明显我们不能说 12 存储在内存上的哪儿，但是可以说出 i 在内存的地址。
下面是数组变量因为作为右值而退化的例子（或者说，我们认为编译器在这里把数组名解释成了指向数组头的常量指针）。

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int a[5];
a++;
int *b = a+1

特别需要注意的是，尽管对左值进行自增操作是允许的，但是上面的 a++ 写法事实上是错误的，因为数组变量指向的地址是不可修改的。这也是为什么我们说它退化后是常量指针。

另外一个有意思的地方在于 a++ 和 a 一个返回右值一个返回左值。这是因为 a 操作先取得 a 的值，再返回 a 的值，最后把加一的值赋给 a ，++a 则完成了赋值操作再返回。这导致前者返回的值事实上不是 a 地址的值，所以只是右值。

关于 & 符

& 运算符有两种用法，第一种是取地址，第二种是取引用。

取地址当然就是取得变量地址，这意味着两件事：第一，它的右侧必须跟着一个左值；第二它返回的值的类型是指向某个地址的变量————即指针。

另一种引用是引用。引用相当于给 n 变量取了一个别名 nn。如果改变 n 的值，也就改变了 nn的值。这两个变量的地址是完全一样的，这不同于定义一个指针。nn 并不是一个指针，它和 n 有相同的变量类型和地址。

前面提到了 a++ 和 a ，而 &a 和 &++a 都是错误的，但是原因并不相同。前者是因为返回了右值，后者是因为视图修改常量指针。

指针的 + 运算

指针的 + 运算会得到不同的结果。具体来说就是，指针 +1 时，指的并不是地址 +1 字节，而是 +1 指针指向的变量大小单元。如果是 int 型指针，那么 +1 指的就是 4 字节，如果是 char 型，就是 1 字节。

如前所述，数组是数组类型而不是指针。所以一个指向数组的指针 +1 ，并不是加一个指针大小（64位系统上是 8 字节），而是加一个数组长度。首地址加数组长度，很显然指向的就是数组地址的尾地址 +1 了。

我们通过一个简单的小测试来验证这个说法：输出(int*)&a+1和(cahr*)&a+1。可以发现前者是在首地址基础上 +4，后者是 +1.这是因为数组变量型指针在 +1 前被转换成了 int型和 char 型，从而影响到了后续的 +1 操作的含义。

一个有趣的事情是，+ 运算符的优先级高于 & 运算符。但是在 &a+1 中会先执行 & 运算，这是因为如果先执行 + 运算，返回的右值无法进行 & 运算，出现语法错误，所以编译器隐式转换成了（&a）+1。

总结

这里是前面的总结。

• a:数组变量，直接输出得到其存储的数组起始地址。
• a+1:数组变量退化成指向数组起始地址的指针常量，再加一个数组内单位长度
• &a：取数组变量的地址，会得到值是数组变量的起始地址，但是数据的类型是数组变量型指针
• &a+1：等价于 (&a)+1，因此是数组变量地址的邻接地址
• &a++:错误,a++ 返回右值，返回值不是真正 a 的值，违反了 & 的要求
• &++a:错误,++a返回左值，但是数组变量指向的地址不可修改
• &(a+1):错误，a+1是右值
  （int*）&a+1: 将数组变量类型指针转换为int型指针再加一个单位