c - C中的数组 "implemented"如何？

Question

数组显然不是指针。可以肯定的是，两个 lvalues 似乎都包含(一维)虚拟内存中某个位置的(一维)坐标。但是考虑这个例子。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
int main(){
  char buffer0[4096];
  char* buffer1 = malloc(4096);
  printf("lvalue %16p  sizeof %lu\n", (void *) buffer0, sizeof(buffer0));
  printf("lvalue %16p  sizeof %lu\n", (void *) buffer1, sizeof(buffer1));
// Example output:  lvalue   0x7ffcb70e8620  sizeof 4096
// Example output:  lvalue         0x7a4420  sizeof 8
}

想到的

实际差异是:

1. 数组知道它们有多大(以字节为单位)(并且，通过扩展，它们知道它们有多少个元素)；指针不知道(但 malloc() 必须 知道指针有多大，才能知道仅给定指针的 free() 有多少...!)
2. 数组是“垃圾收集器”(不需要 free() 它们)；必须手动释放指针(如果它们拥有大量内存，即通过 malloc())
3. 数组“活”在堆栈中(高虚拟内存地址，至少在我的平台上)；指针“活”在堆中(低虚拟内存地址)
4. 数组在传递给函数时衰减为指针
5. 数组不能调整大小；指针可以

总的来说，数组似乎比指针更聪明(但通用性较低)(它们知道它们有多大，它们有多少元素，并且它们具有自动内存管理)。

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问题

1. 数组如何“知道”它们有多大？这是如何实现的？
2. 一般来说，数组在C语言中是如何实现的？ (编译器会这样做，还是内核会这样做？

Answer 1

How do arrays "know" how big they are? How is this implemented?

数组不知道它们有多大——没有与数组关联的元数据来指示大小(或类型，或其他任何内容)。 在翻译过程中，编译器知道数组有多大，并且在那个时候处理任何依赖于该知识的知识(指针算术、sizeof 操作等)。一旦生成了机器代码，数组就只是一些愚蠢的内存块——在运行时无法通过查看数组对象本身来确定数组有多大(可变修改类型除外，如变量-length 数组，sizeof 操作是在翻译期间计算的，而不是运行时)。

In general, how are arrays implemented in the C language? (Does the compiler do this, or does the kernel?

数组只不过是同一类型对象的连续序列。对于声明

T arr[N]; // for any type T

你得到

     +---+
arr: |   | arr[0]
     +---+
     |   | arr[1]
     +---+
     |   | arr[2]
     +---+
      ...
     +---+ 
     |   | arr[N-1]
     +---+

没有独立于数组元素本身的 arr 对象，也没有为大小、起始地址、类型或其他任何内容预留任何元数据。

下标操作arr[i]被定义为*(arr + i) - 给定数组的起始地址，偏移量i 个元素(不是字节!)并解引用结果。

你说数组不是指针是正确的 - 但是，除非它是 sizeof 或一元 & 运算符的操作数，或者是用于初始化 a 的字符串文字声明中的字符数组，数组类型的表达式将被转换(“衰减”)为指针类型的表达式，表达式的值将是数组第一个元素的地址(同样，这一切都是在翻译期间完成的，而不是在运行时)。

因此，当您编写类似x = arr[i]; 的代码时，编译器会将表达式arr 转换为指针值，因此下标操作有效。

相比之下，当您编写 ap = &arr; 时，编译器不会将 arr 转换为指针类型。结果仍然与第一个元素的地址相同，但是类型不同——不是T *，类型是T (*)[ N]，或“指向 T 的 N 元素数组的指针”。