浅谈C语言中数组变量的教学

2020-03-08周二强

现代计算机 2020年36期

关键词：数组表达式指针

周二强

（河南城建学院计算机与数据科学学院，平顶山467036）

数组是C语言教学中的重点和难点，本文提出虚拟变量的概念，直观而深刻地揭示数组变量的本质。把数组统一为变量，为学生自主理解辨析数组和指针变量铺平了道路，也为反转教学提供必要的条件，极大地提高学生的学习积极性。

虚拟变量；数组；指针；C语言

图1 相关变量的存储状态简图

0 引言

C语言是经典的结构化程序设计语言，其语法被现代编程语言广泛借鉴，国内许多高校都开设了C语言课程。国内现行C语言教材大多强调实训，注重编程能力的培养，忽视了C语言和计算机的关系，导致C语言教材中的一些概念不清，既不利于学生系统分析能力的培养，也不便于反转课堂等教学改革的进行。近年来新出现的“反转”课堂（Flipped Class，也译为“翻转”课堂）教学模式，引起了教育界的广泛关注。“反转”即师生互换角色，教师是主导，学生是主体，这充分发挥了以人为本的教学思想和教师的主导作用[1]。在课堂教学活动中应强调学生的参与意识，充分体现学生在课堂中的主体地位[2]。

数组是C语言教学中的重点。使用数组可以方便地重复处理大量的数据，作为数据结构，数组的基本用法不难掌握。但由于现行教材对数组概念的模糊处理，使得多数学生不能自主学习有关知识点，更不要说积极主动地参与反转课堂了，导致学习效果不理想，不会利用指针变量操作复杂的数组。

1 变量、指针变量和数组变量

在C语言中，借助变量使用计算机中的存储单元，一个变量标识了计算机中的一块存储单元。存储单元是内存块在C语言中的抽象，具有固定的大小，分类型，某类存储单元只能存放该类数据。

语句int i;定义了一个整型（int）变量i，它对应于一个整型（int）存储单元，只能存储一个整数（int）。语句int*pi;定义一个整型指针变量pi，它对应于一个整型指针（int*）存储单元，只能存储一个整型存储单元的地址（int*）。与普通变量存储常见的数据不同，指针变量用于存储地址。地址是存储单元在计算机中的编号，用于定位存储单元。

语句i=5;可以把整数5存入与变量i相关的存储单元中。语句pi=&i;可以把与变量i相关的整型存储单元的地址存入与变量pi相关的存储单元中，此时常形象地称指针变量pi指向了变量i。它们在内存中的状态可用图1简单地表示。

可简单地认为，变量i的值是5，指针变量pi的值是&i。由于地址属于计算机的内部数据，而非用户数据，故对初学者而言，指针变量难以理解。指针变量的用法分两步，首先，以直接引用的方式使用指针变量本身，如pi=&i;，使得指针变量指向变量i；然后，以间接引用的方式借助指针变量使用其指向的变量，如*pi=6;。尽管直接引用的方式简便，但受变量作用域的限制。只要获得了存储单元的地址就能以间接引用的方式使用存储单元，间接引用的方式可以扩展存储单元的使用范围[3]。

语句int a[3]={1,2,3};定义一个数组变量a，即申请了一块存储单元用于存储整数1，2，3。数组变量a由3个整型变量组成，其内存状态可能如图2所示。

图2 数组a的内存状态

由图2可知，数组变量a没有专属于自己的存储单元，并不是一个真正的变量，数组变量a的值是C语言规定的。从这个角度分析，数组变量a是一个符号常量。但sizeof（a）的值是12，即数组变量a的存储单元有12个字节，数组元素的存储单元都属于数组变量a，所以，不能简单地把数组变量a理解为普通的符号常量。数组a应理解成一个虚拟的变量[3]。数组变量a指向了其首元素，数组变量a与其首元素a[0]的关系可用图3表示。

图3 虚拟的数组变量a

数组变量a是一个int[3]型存储单元。由图3可知，其地址和值均为0x0012ff00，但这两个地址的意义不同，其地址（&a）是一个int[3]型地址，其值（a）是一个int地址（&a[0]），即&a+1指向下一个int[3]型存储单元，其值为0x0012ff12，但a+1指向a[1]，其值为0x0012ff04。

2 二维数组变量

以二维数组int a[3][2]={{1,2},{21,22},{31,32}}为例，它的内存状态可能如图4（1）所示。

图4 二维数组a的内存状态

二维数组a有3个数组元素a[0]、a[1]和a[2]，数组元素的类型是长度为2的一维整型数组，即它们标识一个int[2]型存储单元。

二维数组变量a是一个虚拟的变量，它标识的存储单元的长度为24个字节（sizeof（a）的值为24），类型为int[3][2]。二维数组变量a也指向了首元素a[0]，其值为int[2]型地址0x0012 ff00，*a与a[0]可以互换使用，sizeof（*a）与sizeof（a[0]）的值为8。

一维数组a[0]所标识的存储单元长度为8个字节，类型为int[2]。一维数组变量a[0]指向了首元素a[0][0]，其值为int型地址0x0012 ff00，*a[0]与a[0][0]可互换使用，sizeof（*a[0]）或sizeof（a[0][0]）的值为4。

二维数组变量a，一维数组变量a[0]，整型变量a[0][0]三者的关系如图4（2）所示。

如有int*p，则指针变量p不能用二维数组a赋值，因为二维数组变量a的首元素a[0]为int[2]型，即长度为2的一维整型数组，而指针变量p只能存储int型地址。可以存储int[2]型地址的指针变量理想的定义方式为int[2]*p，而C语言中实际的定义方式为int（*p）[2]。定义了可以指向int[2]型存储单元的指针变量p后，就可以用p=a（或p=&a[0]）让指针变量p指向数组a的首元素a[0]了。此时指针变量p、二维数组变量a、一维数组变量a[0]及a[0][0]的关系如图5所示。

图5 二维数组与指向其首元素的指针变量

3 举例分析二维数组与指针变量

下面程序用三种方式输出了二维数组a的数组元素。

分析：

p=a;执行后，指针变量p也指向了数组a的首元素a[0]，故p+i指向了a[i]，*（p+i）与a[i]标识了同一个长度为2的一维整型数组，表达式（*（p+i））[j]标识了该数组型存储单元的第j个数组元素，表达式（*（p+i））[j]与a[i][j]可互换。

pi=a[i];执行后，pi也指向了a[i]的首元素a[i][0]，故pi+j指向了a[i][j]，因此表达式*（pi+j）与a[i][j]标识同一个整型存储单元。

pi=a[0];执行后，pi也指向了a[0]的首元素a[0][0]。表达式*pi++求值时，两个操作符优先级相同，右结合，先计算子表达式pi++，值为pi，原表达式的值为*pi，但求值的同时，变量pi的值自增1，pi指向了与原指向的存储单元相邻的下一个同类型存储单元。第一次求值时，表达式*pi++与a[0][0]标识了同一个存储单元，且pi指向了a[0][1]；第二次求值时，表达式*pi++与a[0][1]标识了同一个存储单元，且pi指向了a[0][2]；……。由于数组的数组元素相邻，故通过重复地输出表达式*pi++的值也可以输出数组a的所有数组元素。