c - 这个函数返回什么？

Question

如果我正确解释这一点，它会将两个(长)整数作为输入，创建一个数组，然后减去该数组和一个整数，但我认为我无法减去数组和整数。

这个函数实际上返回什么？

int *ivector (long nl, long nh)
/* allocate an int vector with subscript range v[nl..nh] */
{
  int *retval;

  retval = malloc(sizeof(int)*(nh-nl+1));

  return retval - nl;
}

Answer 1

在探索这个 ivector() 函数的行为之前，我们先回顾一下有关 C 语言中数组和指针的一些基本事实。

考虑代码

int a[10];
for(i = 0; i < 10; i++)
    a[i] = 100 + i;

这会在内存中产生一个数组，我们可以这样想:

    +-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
 a: | 100 | 101 | 102 | 103 | 104 | 105 | 106 | 107 | 108 | 109 |
    +-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
       0     1     2     3     4     5     6     7     8     9

假设我们现在说

int *ip = a;

由于 correspondence between arrays and pointers in C ，这相当于说

int *ip = &a[0];

无论如何，我们最终都会得到一个指向 a 的第一个单元格的指针，如下所示:

    +-----+
ip: |  *  |
    +--|--+
       |
       v
    +-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
 a: | 100 | 101 | 102 | 103 | 104 | 105 | 106 | 107 | 108 | 109 |
    +-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+

现在，指针算术:当您向指针添加一个整数时，您“移动”了指针，使其指向底层数组中的下一个元素。确保您了解此代码打印数字 102 的所有不同方式:

int *ip2 = ip + 2;
printf("%d %d %d %d\n", *(ip + 2), ip[2], *ip2, ip2[0]);

(如果您不理解所有四个表达式 *(ip+2) 、 ip[2] 、 *ip2 和 ip2[0] 如何计算为数字 102，请阅读此内容或询问。这是“数组与指针对应关系”的另一个方面，也是我们理解 ivector 函数的基础。)

指针减法也有效:调用

printf("%d %d\n", *(ip2 - 1), ip2[-1]);

打印 101，两种略有不同的方式。

现在，让我们看一下 ivector() 函数。它试图帮助我们模拟不一定从 0 开始的数组。如果我们打电话

int a2 = ivector(0, 9);
for(i = 0; i <= 9; i++) a2[i] = 100 + i;

我们最终会得到一个几乎与之前一模一样的数组:

    +-----+
a2: |  *  |
    +--|--+
       |
       v
    +-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
    | 100 | 101 | 102 | 103 | 104 | 105 | 106 | 107 | 108 | 109 |
    +-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+

唯一的区别是数组本身没有名称:这是我们通过调用 malloc 获得的匿名内存区域。

现在假设我们调用

int a3 = ivector(-5, 5);
for(i = -5; i <= 5; i++) a3[i] = 100 + i;

现在我们得到了一个 11 元素的“数组”，我们可以认为它看起来像这样:

    +-----+
a3: |  *-----------------------------+
    +-----+                          |
                                     v
    +-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
    | 95  | 96  | 97  | 98  | 99  | 100 | 101 | 102 | 103 | 104 | 105 |
    +-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
      -5    -4    -3    -2    -1     0     1     2     3     4     5

请注意，我们可以讨论 a3[0] 、 a3[3] 、 a3[-2] 等，就像这是一个下限为 -5 的常规数组一样。关键是您所询问的 ivector 末尾的减法:

return retval - nl;

这不会从数组的值中减去任何东西，或者任何东西；又是指针算术，从指针值 nl 中减去 retval 。对于调用 ivector(-5, 5) ，这会转换为

return retval - -5;

这当然相当于

return retval + 5;

因此我们得到了指向分配区域的 5 个元素的指针。

现在假设我们调用

int *a4 = ivector(1, 10);
for(i = 1; i <= 10; i++) a4[i] = 100 + i;

这就是一切崩溃的地方。目的是我们最终得到这样的图片:

    +-----+
a4: |  *  |
    +--|--+
       |
       v
          +-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
          | 101 | 102 | 103 | 104 | 105 | 106 | 107 | 108 | 109 | 110 |
          +-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
             1     2     3     4     5     6     7     8     9    10

但是有一个非常明显的问题:a4实际上并没有指向分配的数组。

基于指针算术的工作方式，以及传统上由简单的编译器为简单的计算机体系结构实现的方式，您可以说服自己这段代码“应该”工作，并且您可以访问 a4[1] , a4[2] , ... 直到 a4[10] 。当然，如果您尝试访问 a4[0] ，将会出现可怕的问题，但没关系，您不应该这样做，因为 a4 是一个基于 1 的数组。

不幸的是，最后一段代码不能保证工作。如果您计算的指针指向数组(您声明的实际数组，或者通过调用 malloc 获得的类似数组的内存块)“外部”，则指针算术未定义。如果您尝试计算这样的指针，则行为是未定义的，即使您从未尝试访问越界指针指向的内存。因此，大多数知识渊博的 C 程序员都会建议您不要编写类似 ivector 的代码(或者如果您这样做，则只为 nl <= 0 调用它......但这当然很大程度上违背了目的)。