C/C++指针数组中(*p)[2]与*(p[2])相等原因及延伸问题

在如下C/C++代码中：

int main()
{
    int a[3] = {11, 22, 33};
    int *p[3];
    
    p[0] = &a[0];
    p[1] = &a[1];
    p[2] = &a[2];
    
    printf("(*p)[2] = %d\n",(*p)[2]);
    printf("*(p[2]) = %d\n",*(p[2]));
    return 0;
}

运行结果显示(*p)[2] = *(p[2]) = a[2]。
已知前提：

• int *p[3];定义了包含3个int型指针的数组
• 代码中后续三行赋值逻辑分别将a[0]、a[1]、a[2]的地址存入p[0]、p[1]、p[2]中
• *(p[2])的含义是取出p[2]存储地址指向的变量，因此*(p[2]) = a[2]符合预期

待解答疑问：

1. 应如何理解(*p)[2]的运算逻辑，为什么它的结果也等于a[2]？
2. 若将p定义为指向int类型std::vector的指针数组，(*p)[2] = *(p[2])的相等关系是否仍然成立？

问题解答 #

1. (*p)[2]的运算逻辑 #

这个结果相等本质是代码内存布局导致的巧合，不是语法上的等价关系，拆解运算步骤就能明白：

• 第一步：数组名在表达式中会自动退化为指向数组首元素的指针。p是int*类型的数组，因此单独出现的p会退化为指向p[0]的指针（类型为int**），对其解引用*p得到的就是数组第一个元素p[0]，也就是之前存入的&a[0]（类型为int*，指向a数组的首元素）。
• 第二步：C/C++中下标运算的本质是指针偏移后解引用，规则为x[y]完全等价于*(x + y)。因此(*p)[2]等价于*(*p + 2)，也就是从a[0]的地址开始，向后偏移2个int类型的长度，得到a[2]的地址，解引用后就拿到了a[2]的值。

之所以和*(p[2])结果一致，是因为代码恰好把连续存储的a数组的元素地址，按顺序存在了p数组的连续空间里：p[0]存a[0]地址，偏移2个int刚好落在a[2]的位置，和p[2]里存的a[2]地址指向同一块内存，值才会相等。如果p数组里存的指针不是指向连续内存的同数组元素，这个相等关系立刻就不成立。

2. 指向std::vector的指针数组场景下相等关系不成立 #

这个场景下两个表达式不仅值不相等，连类型、语义都完全不同，甚至大概率触发程序崩溃：

• 首先看语义差异：如果p定义为std::vector<int>* p[3]，即元素为vector<int>指针的数组：
  • (*p)[2]等价于p[0][2]，语义是取p[0]指向的那个vector对象中下标为2的元素，返回值是int类型，前提是p[0]指向的vector长度至少为3，否则属于越界访问，触发未定义行为。
  • *(p[2])的语义是解引用p[2]存储的指针，拿到p[2]指向的整个vector<int>对象，返回值是vector<int>类型，和前者的int类型根本不匹配，连赋值都做不到，更谈不上相等。
• 哪怕你是想写(*p[2])[2]（取p[2]指向vector的下标2元素），和(*p)[2]也没有必然相等关系：前者访问的是第三个指针指向的vector的第3个元素，后者访问的是第一个指针指向的vector的第3个元素，除非手动把p[0]、p[1]、p[2]都指向同一个长度足够的vector对象，否则值不可能相等。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Vic