面试题：C语言一维数组名与指针在内存布局下的差异与联系

Question

已知C语言中有一个一维数组`int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};`，以及一个指针`int *ptr = arr;`。请详细分析`arr`和`ptr`在内存中的布局情况，包括它们各自所指向的内存起始地址、占用内存空间大小以及在不同运算（如`arr + 1`和`ptr + 1`）下的行为差异。同时，阐述为什么在某些情况下`arr`和`ptr`看似行为一致，而在另一些情况下却有明显区别。

Answer 1

1. 内存起始地址：
   • arr：arr是数组名，它代表数组的首地址，即&arr[0]。在内存中，数组元素是连续存储的，arr指向数组第一个元素1的内存地址。
   • ptr：ptr是一个指针变量，它被初始化为arr，所以ptr也指向数组第一个元素1的内存地址，即ptr == arr。
2. 占用内存空间大小：
   • arr：数组arr占用的内存空间大小为sizeof(arr)，由于每个int类型在常见系统中占4字节，arr包含5个元素，所以sizeof(arr)=5 * sizeof(int)=20字节。
   • ptr：ptr是一个指针变量，在32位系统中，指针通常占4字节，在64位系统中，指针通常占8字节，即sizeof(ptr)在32位系统为4字节，64位系统为8字节。
3. 运算行为差异：
   • arr + 1：arr是数组名，当进行arr + 1运算时，它根据数组元素类型（int）的大小进行偏移。因为int类型占4字节，所以arr + 1指向数组第二个元素2的内存地址，即&arr[1]，偏移量为1 * sizeof(int)。
   • ptr + 1：ptr是指针变量，ptr + 1同样根据指针所指向的数据类型（int）的大小进行偏移。所以ptr + 1也指向数组第二个元素2的内存地址，即&arr[1]，偏移量为1 * sizeof(int)。
4. 行为一致与区别：
   • 行为一致：在进行指针运算（如arr + 1和ptr + 1）时，它们看似行为一致，因为它们都指向数组的下一个元素。这是因为在C语言中，数组名在大多数表达式中会自动转换为指向数组首元素的指针，所以在指针运算这种场景下，arr和ptr表现相似。
   • 行为区别：然而，在某些情况下它们有明显区别。例如，sizeof(arr)返回整个数组占用的内存大小（20字节），而sizeof(ptr)返回指针变量本身占用的内存大小（32位系统4字节，64位系统8字节）。另外，arr是数组名，是一个常量指针，不能被赋值修改（如arr = &some_other_int;是错误的），而ptr是一个变量指针，可以被重新赋值（如ptr = &some_other_int;是合法的）。