Tại sao các chỉ số mảng âm có ý nghĩa?

Tôi đã bắt gặp một kinh nghiệm kỳ lạ trong lập trình C. Xem xét mã này:

int main(){
  int array1[6] = {0, 1, 2, 3, 4, 5};
  int array2[6] = {6, 7, 8, 9, 10, 11};

  printf("%d\n", array1[-1]);
  return 0;
}

Khi tôi biên dịch và chạy nó, tôi không nhận được bất kỳ lỗi hay cảnh báo nào. Như giảng viên của tôi đã nói, chỉ số mảng -1truy cập vào một biến khác. Tôi vẫn còn bối rối, tại sao một ngôn ngữ lập trình lại có khả năng này? Ý tôi là, tại sao cho phép các chỉ số mảng âm?

Hoạt động lập chỉ mục mảng a[i]đạt được ý nghĩa từ các tính năng sau của C

1. Cú pháp a[i]tương đương với *(a + i). Vì vậy, nó là hợp lệ để nói 5[a]để có được ở phần tử thứ 5 của a.

2. Con trỏ số học nói rằng đã cho một con trỏ pvà một số nguyên i, p + i con trỏ được pnâng cao bởi i * sizeof(*p)byte

3. Tên của một mảng arất nhanh bị phá hủy thành một con trỏ đến phần tử thứ 0 củaa

Trong thực tế, lập chỉ mục mảng là một trường hợp đặc biệt của lập chỉ mục con trỏ. Kể từ khi một con trỏ có thể trỏ đến bất cứ nơi nào bên trong một mảng, bất kỳ biểu hiện độc đoán rằng trông giống như p[-1]là không sai bằng việc kiểm tra, và do đó trình biên dịch không (không thể) xem xét tất cả các biểu hiện như lỗi.

Ví dụ của bạn a[-1], nơi athực sự là tên của một mảng thực sự không hợp lệ. IIRC, nó là undefined nếu có một giá trị con trỏ có ý nghĩa như là kết quả của biểu thức a - 1mà alà biết là một con trỏ tới phần tử 0 của một mảng. Vì vậy, một trình biên dịch thông minh có thể phát hiện ra điều này và đánh dấu nó là một lỗi. Các trình biên dịch khác vẫn có thể tuân thủ trong khi cho phép bạn tự bắn vào chân mình bằng cách đưa cho bạn một con trỏ tới một khe ngăn xếp ngẫu nhiên.

Câu trả lời của khoa học máy tính là:

• Trong C, []toán tử được định nghĩa trên các con trỏ, không phải mảng. Cụ thể, nó được định nghĩa theo thuật ngữ số học con trỏ và con trỏ.

• Trong C, một con trỏ trừu tượng là một tuple (start, length, offset)với điều kiện đó 0 <= offset <= length. Số học con trỏ về cơ bản là nâng số học trên phần bù, với lời cảnh báo rằng nếu kết quả của hoạt động vi phạm điều kiện con trỏ, thì đó là một giá trị không xác định. Bỏ tham chiếu một con trỏ thêm một ràng buộc bổ sung đó offset < length.

• C có một khái niệm undefined behaviourcho phép trình biên dịch biểu diễn cụ thể bộ dữ liệu đó dưới dạng một số duy nhất và không phải phát hiện bất kỳ vi phạm nào về điều kiện con trỏ. Bất kỳ chương trình nào thỏa mãn ngữ nghĩa trừu tượng sẽ được an toàn với ngữ nghĩa cụ thể (mất mát). Bất cứ điều gì vi phạm ngữ nghĩa trừu tượng đều có thể, không cần bình luận, được trình biên dịch chấp nhận và nó có thể làm bất cứ điều gì nó muốn làm với nó.

Mảng đơn giản được đặt ra như những khối ký ức liền kề nhau. Một truy cập mảng như [i] được chuyển đổi thành quyền truy cập vào vị trí bộ nhớ addressOf (a) + i. Mã a[-1]này là hoàn toàn dễ hiểu, nó chỉ đơn giản đề cập đến địa chỉ một trước khi bắt đầu mảng.

Điều này có vẻ điên rồ, nhưng có nhiều lý do tại sao điều này được cho phép:

• thật tốn kém để kiểm tra xem chỉ số i đến [-] có nằm trong giới hạn của mảng hay không.
• một số kỹ thuật lập trình thực sự khai thác thực tế a[-1]là hợp lệ. Chẳng hạn, nếu tôi biết đó akhông thực sự là điểm bắt đầu của mảng, mà là một con trỏ vào giữa mảng, thì a[-1]chỉ cần lấy phần tử của mảng nằm ở bên trái của con trỏ.

Như các câu trả lời khác giải thích, đây là hành vi không xác định trong C. Hãy xem xét rằng C đã được xác định (và chủ yếu được sử dụng) như là một "trình biên dịch cấp cao". Người dùng của C đánh giá nó vì tốc độ không khoan nhượng và việc kiểm tra nội dung trong thời gian chạy (phần lớn) không nằm trong câu hỏi vì hiệu suất tuyệt đối. Một số cấu trúc C trông vô nghĩa đối với những người đến từ các ngôn ngữ khác có ý nghĩa hoàn hảo trong C, như thế này a[-1]. Vâng, nó không phải lúc nào cũng có ý nghĩa (

Người ta có thể sử dụng một tính năng như vậy để viết các phương thức cấp phát bộ nhớ truy cập trực tiếp vào bộ nhớ. Một cách sử dụng như vậy là kiểm tra khối bộ nhớ trước đó bằng chỉ số mảng âm để xác định xem hai khối có thể được hợp nhất hay không. Tôi đã sử dụng tính năng này khi tôi phát triển trình quản lý bộ nhớ không bay hơi.

C không được gõ mạnh. Một trình biên dịch C tiêu chuẩn sẽ không kiểm tra giới hạn mảng. Một điều khác là một mảng trong C không là gì ngoài một khối bộ nhớ liền kề và lập chỉ mục bắt đầu từ 0 nên chỉ số -1 là vị trí của bất kỳ mẫu bit nào trước đó a[0].

Các ngôn ngữ khác khai thác các chỉ số tiêu cực một cách tốt đẹp. Trong Python, a[-1]sẽ trả về phần tử cuối cùng, a[-2]sẽ trả về phần tử thứ hai đến cuối cùng, v.v.

Nói một cách đơn giản:

Tất cả các biến (bao gồm cả mảng) trong C được lưu trữ trong bộ nhớ. Giả sử bạn có 14 byte "bộ nhớ" và bạn khởi tạo các mục sau:

int a=0;
int array1[6] = {0, 1, 2, 3, 4, 5};

Ngoài ra, hãy xem xét kích thước của một int là 2 byte. Sau đó, theo giả thuyết, trong 2 byte đầu tiên của bộ nhớ, số nguyên a sẽ được lưu. Trong 2 byte tiếp theo, số nguyên của vị trí đầu tiên của mảng sẽ được lưu (có nghĩa là mảng [0]).

Sau đó, khi bạn nói mảng [-1] giống như tham chiếu đến số nguyên được lưu trong bộ nhớ ngay trước mảng [0], theo giả thuyết, số nguyên a của chúng tôi là số nguyên. Trong thực tế, đây không chính xác là cách các biến được lưu trữ trong bộ nhớ.

//:Example of negative index:
//:A memory pool with a heap and a stack:

unsigned char memory_pool[64] = {0};

unsigned char* stack = &( memory_pool[ 64 - 1] );
unsigned char* heap  = &( memory_pool[ 0     ] );

int stack_index =    0;
int  heap_index =    0;

//:reserve 4 bytes on stack:
stack_index += 4;

//:reserve 8 bytes on heap:
heap_index  += 8;

//:Read back all reserved memory from stack:
for( int i = 0; i < stack_index; i++ ){
    unsigned char c = stack[ 0 - i ];
    //:do something with c
};;
//:Read back all reserved memory from heap:
for( int i = 0; i < heap_index; i++ ){
    unsigned char c = heap[ 0 + i ];
    //:do something with c
};;