面试题：C语言指针运算对数组访问性能的影响

Question

假设有一个较大规模的整型数组 int arr[10000]; 请分别使用指针运算和数组下标运算两种方式遍历该数组并求和。然后分析在这种情况下，指针运算在性能方面有哪些优势或劣势，以及产生这些差异的原因。

Answer 1

使用指针运算遍历并求和

#include <stdio.h>

int main() {
    int arr[10000];
    // 初始化数组，这里简单赋值为1到10000
    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
        arr[i] = i + 1;
    }
    int sum = 0;
    int *p = arr;
    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
        sum += *p;
        p++;
    }
    printf("指针运算求和结果: %d\n", sum);
    return 0;
}

使用数组下标运算遍历并求和

#include <stdio.h>

int main() {
    int arr[10000];
    // 初始化数组，这里简单赋值为1到10000
    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
        arr[i] = i + 1;
    }
    int sum = 0;
    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
        sum += arr[i];
    }
    printf("数组下标运算求和结果: %d\n", sum);
    return 0;
}

性能分析

• 优势：现代编译器在优化代码时，对于指针运算和数组下标运算通常能生成相似的机器码，性能差异不大。在一些情况下，指针运算可能有优势。指针运算直接对内存地址进行操作，减少了数组越界检查的开销（虽然在C语言中，数组越界本身不会自动检查，但使用指针时程序员可更灵活地控制地址访问）。例如在循环中，如果需要频繁地移动到数组的不同位置，指针运算通过直接修改指针的值，可以更高效地定位到目标元素，而数组下标运算每次都需要通过公式 base_address + index * sizeof(type) 来计算地址，指针运算在这种场景下可能会有轻微的性能提升。
• 劣势：指针运算如果使用不当，很容易造成内存访问错误，如野指针、越界访问等，这些错误可能导致程序崩溃或未定义行为，而数组下标运算相对更容易检查边界，代码可读性更好。如果编译器优化程度高，数组下标运算也会被优化成与指针运算相近的机器码，此时指针运算的优势就不明显了。

产生这些差异的原因主要是：指针运算直接操作内存地址，在内存访问的灵活性上有优势，但安全性较低；数组下标运算基于固定的计算方式获取元素地址，相对更安全，但灵活性略差。现代编译器的优化使得两者在很多情况下性能相近。