淺談C語(yǔ)言中數(shù)組變量的教學(xué)

周二強(qiáng)

（河南城建學(xué)院計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院，平頂山467036）

數(shù)組是C語(yǔ)言教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，本文提出虛擬變量的概念，直觀而深刻地揭示數(shù)組變量的本質(zhì)。把數(shù)組統(tǒng)一為變量，為學(xué)生自主理解辨析數(shù)組和指針變量鋪平了道路，也為反轉(zhuǎn)教學(xué)提供必要的條件，極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

虛擬變量；數(shù)組；指針；C語(yǔ)言

圖1 相關(guān)變量的存儲(chǔ)狀態(tài)簡(jiǎn)圖

0 引言

C語(yǔ)言是經(jīng)典的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，其語(yǔ)法被現(xiàn)代編程語(yǔ)言廣泛借鑒，國(guó)內(nèi)許多高校都開(kāi)設(shè)了C語(yǔ)言課程。國(guó)內(nèi)現(xiàn)行C語(yǔ)言教材大多強(qiáng)調(diào)實(shí)訓(xùn)，注重編程能力的培養(yǎng)，忽視了C語(yǔ)言和計(jì)算機(jī)的關(guān)系，導(dǎo)致C語(yǔ)言教材中的一些概念不清，既不利于學(xué)生系統(tǒng)分析能力的培養(yǎng)，也不便于反轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)改革的進(jìn)行。近年來(lái)新出現(xiàn)的“反轉(zhuǎn)”課堂（Flipped Class，也譯為“翻轉(zhuǎn)”課堂）教學(xué)模式，引起了教育界的廣泛關(guān)注。“反轉(zhuǎn)”即師生互換角色，教師是主導(dǎo)，學(xué)生是主體，這充分發(fā)揮了以人為本的教學(xué)思想和教師的主導(dǎo)作用[1]。在課堂教學(xué)活動(dòng)中應(yīng)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的參與意識(shí)，充分體現(xiàn)學(xué)生在課堂中的主體地位[2]。

數(shù)組是C語(yǔ)言教學(xué)中的重點(diǎn)。使用數(shù)組可以方便地重復(fù)處理大量的數(shù)據(jù)，作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)組的基本用法不難掌握。但由于現(xiàn)行教材對(duì)數(shù)組概念的模糊處理，使得多數(shù)學(xué)生不能自主學(xué)習(xí)有關(guān)知識(shí)點(diǎn)，更不要說(shuō)積極主動(dòng)地參與反轉(zhuǎn)課堂了，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不理想，不會(huì)利用指針變量操作復(fù)雜的數(shù)組。

1 變量、指針變量和數(shù)組變量

在C語(yǔ)言中，借助變量使用計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)單元，一個(gè)變量標(biāo)識(shí)了計(jì)算機(jī)中的一塊存儲(chǔ)單元。存儲(chǔ)單元是內(nèi)存塊在C語(yǔ)言中的抽象，具有固定的大小，分類(lèi)型，某類(lèi)存儲(chǔ)單元只能存放該類(lèi)數(shù)據(jù)。

語(yǔ)句int i;定義了一個(gè)整型（int）變量i，它對(duì)應(yīng)于一個(gè)整型（int）存儲(chǔ)單元，只能存儲(chǔ)一個(gè)整數(shù)（int）。語(yǔ)句int*pi;定義一個(gè)整型指針變量pi，它對(duì)應(yīng)于一個(gè)整型指針（int*）存儲(chǔ)單元，只能存儲(chǔ)一個(gè)整型存儲(chǔ)單元的地址（int*）。與普通變量存儲(chǔ)常見(jiàn)的數(shù)據(jù)不同，指針變量用于存儲(chǔ)地址。地址是存儲(chǔ)單元在計(jì)算機(jī)中的編號(hào)，用于定位存儲(chǔ)單元。

語(yǔ)句i=5;可以把整數(shù)5存入與變量i相關(guān)的存儲(chǔ)單元中。語(yǔ)句pi=&i;可以把與變量i相關(guān)的整型存儲(chǔ)單元的地址存入與變量pi相關(guān)的存儲(chǔ)單元中，此時(shí)常形象地稱(chēng)指針變量pi指向了變量i。它們?cè)趦?nèi)存中的狀態(tài)可用圖1簡(jiǎn)單地表示。

可簡(jiǎn)單地認(rèn)為，變量i的值是5，指針變量pi的值是&i。由于地址屬于計(jì)算機(jī)的內(nèi)部數(shù)據(jù)，而非用戶(hù)數(shù)據(jù)，故對(duì)初學(xué)者而言，指針變量難以理解。指針變量的用法分兩步，首先，以直接引用的方式使用指針變量本身，如pi=&i;，使得指針變量指向變量i；然后，以間接引用的方式借助指針變量使用其指向的變量，如*pi=6;。盡管直接引用的方式簡(jiǎn)便，但受變量作用域的限制。只要獲得了存儲(chǔ)單元的地址就能以間接引用的方式使用存儲(chǔ)單元，間接引用的方式可以擴(kuò)展存儲(chǔ)單元的使用范圍[3]。

語(yǔ)句int a[3]={1,2,3};定義一個(gè)數(shù)組變量a，即申請(qǐng)了一塊存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ)整數(shù)1，2，3。數(shù)組變量a由3個(gè)整型變量組成，其內(nèi)存狀態(tài)可能如圖2所示。

圖2 數(shù)組a的內(nèi)存狀態(tài)

由圖2可知，數(shù)組變量a沒(méi)有專(zhuān)屬于自己的存儲(chǔ)單元，并不是一個(gè)真正的變量，數(shù)組變量a的值是C語(yǔ)言規(guī)定的。從這個(gè)角度分析，數(shù)組變量a是一個(gè)符號(hào)常量。但sizeof（a）的值是12，即數(shù)組變量a的存儲(chǔ)單元有12個(gè)字節(jié)，數(shù)組元素的存儲(chǔ)單元都屬于數(shù)組變量a，所以，不能簡(jiǎn)單地把數(shù)組變量a理解為普通的符號(hào)常量。數(shù)組a應(yīng)理解成一個(gè)虛擬的變量[3]。數(shù)組變量a指向了其首元素，數(shù)組變量a與其首元素a[0]的關(guān)系可用圖3表示。

圖3 虛擬的數(shù)組變量a

數(shù)組變量a是一個(gè)int[3]型存儲(chǔ)單元。由圖3可知，其地址和值均為0x0012ff00，但這兩個(gè)地址的意義不同，其地址（&a）是一個(gè)int[3]型地址，其值（a）是一個(gè)int地址（&a[0]），即&a+1指向下一個(gè)int[3]型存儲(chǔ)單元，其值為0x0012ff12，但a+1指向a[1]，其值為0x0012ff04。

2 二維數(shù)組變量

以二維數(shù)組int a[3][2]={{1,2},{21,22},{31,32}}為例，它的內(nèi)存狀態(tài)可能如圖4（1）所示。

圖4 二維數(shù)組a的內(nèi)存狀態(tài)

二維數(shù)組a有3個(gè)數(shù)組元素a[0]、a[1]和a[2]，數(shù)組元素的類(lèi)型是長(zhǎng)度為2的一維整型數(shù)組，即它們標(biāo)識(shí)一個(gè)int[2]型存儲(chǔ)單元。

二維數(shù)組變量a是一個(gè)虛擬的變量，它標(biāo)識(shí)的存儲(chǔ)單元的長(zhǎng)度為24個(gè)字節(jié)（sizeof（a）的值為24），類(lèi)型為int[3][2]。二維數(shù)組變量a也指向了首元素a[0]，其值為int[2]型地址0x0012 ff00，*a與a[0]可以互換使用，sizeof（*a）與sizeof（a[0]）的值為8。

一維數(shù)組a[0]所標(biāo)識(shí)的存儲(chǔ)單元長(zhǎng)度為8個(gè)字節(jié)，類(lèi)型為int[2]。一維數(shù)組變量a[0]指向了首元素a[0][0]，其值為int型地址0x0012 ff00，*a[0]與a[0][0]可互換使用，sizeof（*a[0]）或sizeof（a[0][0]）的值為4。

二維數(shù)組變量a，一維數(shù)組變量a[0]，整型變量a[0][0]三者的關(guān)系如圖4（2）所示。

如有int*p，則指針變量p不能用二維數(shù)組a賦值，因?yàn)槎S數(shù)組變量a的首元素a[0]為int[2]型，即長(zhǎng)度為2的一維整型數(shù)組，而指針變量p只能存儲(chǔ)int型地址?？梢源鎯?chǔ)int[2]型地址的指針變量理想的定義方式為int[2]*p，而C語(yǔ)言中實(shí)際的定義方式為int（*p）[2]。定義了可以指向int[2]型存儲(chǔ)單元的指針變量p后，就可以用p=a（或p=&a[0]）讓指針變量p指向數(shù)組a的首元素a[0]了。此時(shí)指針變量p、二維數(shù)組變量a、一維數(shù)組變量a[0]及a[0][0]的關(guān)系如圖5所示。

圖5 二維數(shù)組與指向其首元素的指針變量

3 舉例分析二維數(shù)組與指針變量

下面程序用三種方式輸出了二維數(shù)組a的數(shù)組元素。

分析：

p=a;執(zhí)行后，指針變量p也指向了數(shù)組a的首元素a[0]，故p+i指向了a[i]，*（p+i）與a[i]標(biāo)識(shí)了同一個(gè)長(zhǎng)度為2的一維整型數(shù)組，表達(dá)式（*（p+i））[j]標(biāo)識(shí)了該數(shù)組型存儲(chǔ)單元的第j個(gè)數(shù)組元素，表達(dá)式（*（p+i））[j]與a[i][j]可互換。

pi=a[i];執(zhí)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]，因此表達(dá)式*（pi+j）與a[i][j]標(biāo)識(shí)同一個(gè)整型存儲(chǔ)單元。

pi=a[0];執(zhí)行后，pi也指向了a[0]的首元素a[0][0]。表達(dá)式*pi++求值時(shí)，兩個(gè)操作符優(yōu)先級(jí)相同，右結(jié)合，先計(jì)算子表達(dá)式pi++，值為pi，原表達(dá)式的值為*pi，但求值的同時(shí)，變量pi的值自增1，pi指向了與原指向的存儲(chǔ)單元相鄰的下一個(gè)同類(lèi)型存儲(chǔ)單元。第一次求值時(shí)，表達(dá)式*pi++與a[0][0]標(biāo)識(shí)了同一個(gè)存儲(chǔ)單元，且pi指向了a[0][1]；第二次求值時(shí)，表達(dá)式*pi++與a[0][1]標(biāo)識(shí)了同一個(gè)存儲(chǔ)單元，且pi指向了a[0][2]；……。由于數(shù)組的數(shù)組元素相鄰，故通過(guò)重復(fù)地輸出表達(dá)式*pi++的值也可以輸出數(shù)組a的所有數(shù)組元素。

4 結(jié)語(yǔ)

指針的使用，極大地提高了C語(yǔ)言的執(zhí)行效率，但地址的存在，增加了C語(yǔ)言的學(xué)習(xí)難度。給初學(xué)者提供一個(gè)直觀且準(zhǔn)確的概念，不僅可以極大地降低學(xué)習(xí)難度，不會(huì)造成C語(yǔ)言知識(shí)點(diǎn)的殘缺，而且也為啟發(fā)式教學(xué)提供了可能，教學(xué)效果顯著。