【C语言】指针的进阶（三）—— 模拟实现qsort函数以及指针和数组的笔试题解析

目录

1、模拟实现qsort函数

1.1、qsort函数的回顾

1.2、模拟实现qsort函数 

2、指针和数组笔试题解析

2.1、一维数组

2.2、字符数组

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1、模拟实现qsort函数

1.1、qsort函数的回顾

要模拟实现qsort函数，就要了解清楚qsort函数的参数以及使用方式。

我们先回顾一下qsort函数：

qsort是一个库函数，底层使用的是快速排序的方式对数据进行排序。头文件：<stdlib.h>

这个函数可以直接使用用来排序任意类型的数据。

qsort函数定义原型： 

void qsort (void* base, size_t num, size_t size, int (*compar)(const void*,const void*));

• void* base：待排序数组的第一个元素的地址
• size_t num：待排序数组的元素个数
• size_t size：以字节为单位，待排序数组中一个元素的大小。
• int (*compar)(const void*,const void*)：函数指针，指向一个比较函数，用来比较两个元素，由用户自行创建并封装。

形参中为什么用的是void*：

void* 是无具体类型的指针，不能进行解引用操作符，也不能进行+-整数的操作，它是用来存放任意类型数据的地址（可以理解为垃圾桶，什么都能装，当需要用时再强制类型转换为需要的类型）。只有void*被允许存放任意类型数据的地址，如果是其他类型的指针编译器会报错。正是因为定义qsort函数时用的是void*，qsort函数才可以排序任意类型的数据。

1.2、模拟实现qsort函数 

使用【冒泡排序】的算法，模拟实现一个排序函数 bsort ，可以用来排序任意类型的数据。

首先，先用冒泡排序实现排序整型数据：

void bsort(int arr[], int sz)
{int i = 0;for ( i = 0; i < sz - 1; i++){int j = 0;for ( j = 0; j < sz - 1 - i; j++){if (arr[j] > arr[j + 1]){int tmp = arr[j];arr[j] = arr[j + 1];arr[j + 1] = tmp;}}}
}int main()
{int arr[] = { 10,9,8,7,6,5,4,3,2,1 };int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);bsort(arr, sz);int i = 0;for ( i = 0; i < sz; i++){printf("%d ", arr[i]);}printf("\n");return 0;
}

        在这个冒泡排序排序整型数据的代码的基础上进行改造。

        首先改造的第一部分就是函数参数，这里的函数参数被写死了只能进行int类型的排序，因此为了让其他类型的数据也能够传入到bsort函数中进行排序，我们这里需要使用指针来接收传入参数。

        参数一：而指针的选择上又只有 void* 最为符合，因为它是用来存放任意类型数据的地址（可以理解为垃圾桶，什么都能装，当需要用时再强制类型转换为需要的类型）。

        参数二：对照库函数qsort的定义中，第二个参数为待排序数组的元素个数，因此我们也用个 size_t num 存放待排序数组的元素个数。

当前，我们可以通过参数一和参数二知道起始位置地址（void* base）和元素个数（num），但是仅仅知道起始地址和元素个数是不够的，因为不知道一个元素有多大的，一次需要跳过多少个字节，5个？10个？

        参数三：因此还需要一个参数记录一个元素的大小 size_t size。

到此，我们先把注意里放在函数内部，函数内部循环的趟数和一趟的次数是不需要改造的，只有红色框框内的交换区域需要改造，因为整数的大小可以用><=号比较，但是结构体数据是不能直接使用><=号来比较的。排序一个整型需要整型的方法，排序一个结构体需要结构体的方法，因此如果需要排序各种各样的类型时，不能固定写死交换区域的比较方式，这就需要用户自行创建比较函数来实现。

        参数四：而我们这里只需要使用函数指针 int (*cmp)(const void* e1,const void* e2)  接收用户传递的比较函数即可。e1和 e2都是指针，分别存放着一个要比较的元素的地址。

 对红框区域进行修改：

注意，在cmp函数中传入base参数时，需要对base强制类型转换char*，因为只有char的步长最短，可以满足所有类型的交换。假设是int类型的话，+1直接跳过4个字节，那么如果要交换一个char类型或者short类型的数据，那就无法做到交换了。

 【交换int类型数据的完整代码】

swap(char* buf1, char* buf2, size_t size)
{一个字节一个字节地交换int i = 0;for ( i = 0; i < size; i++){char tmp = *buf1;*buf1 = *buf2;*buf2 = tmp;buf1++;buf2++;}
}//模拟库函数qsort
void bsort(void* base, size_t num, size_t size, int (*cmp)(const void* e1, const void* e2))
{int i = 0;for ( i = 0; i < num - 1; i++){int j = 0;for ( j = 0; j < num - 1 - i; j++){//if(arr[j]>arr[j+1])if (cmp((char*)base + size * j, (char*)base + size * (j + 1)) > 0) //大于0时，证明j的元素大于j+1的元素，所以要交换位置{//交换swap((char*)base + size * j, (char*)base + size * (j + 1), size);}}}
}//用户自行创建
int cmp_in(const void* e1, const void* e2)
{return *(int*)e1 - *(int*)e2;
}int main()
{int arr[] = { 10,9,8,7,6,5,4,3,2,1 };int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);bsort(arr, sz,sizeof(arr[0]),cmp_in);int i = 0;for ( i = 0; i < sz; i++){printf("%d ", arr[i]);}printf("\n");return 0;
}

【图解】

同理，结构体类型数据也能交换。 

 【交换结构体类型数据的完整代码】

swap(char* buf1, char* buf2, size_t size)
{//一个字节一个字节地交换int i = 0;for ( i = 0; i < size; i++){char tmp = *buf1;*buf1 = *buf2;*buf2 = tmp;buf1++;buf2++;}
}void bsort(void* base, size_t num, size_t size, int (*cmp)(const void* e1, const void* e2))
{int i = 0;for ( i = 0; i < num - 1; i++){int j = 0;for ( j = 0; j < num - 1 - i; j++){//if(arr[j]>arr[j+1])if (cmp((char*)base + size * j, (char*)base + size * (j + 1)) > 0) //大于0时，证明j的元素大于j+1的元素，所以要交换位置{//交换swap((char*)base + size * j, (char*)base + size * (j + 1), size);}}}
}struct Stu
{char name[20];int age;
};int cmp_stu_age(const void* e1, const void* e2)
{return ((struct Stu*)e1)->age - ((struct Stu*)e2)->age;
}int main()
{struct Stu arr[] = { {"zhangsan",22},{"lisi",26},{"wangwu",20} };int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);bsort(arr, sz,sizeof(arr[0]),cmp_stu_age);printf("\n");return 0;
}

例子中是按照年龄排序。使用调试检查一下，确实完成了交换：

如果想要进行降序排序的话，只需要将用户自行创建并封装的 cmp函数 中return的e1和e2交换即可，下面以cmp_int为例：

swap(char* buf1, char* buf2, size_t size)
{//一个字节一个字节地交换int i = 0;for ( i = 0; i < size; i++){char tmp = *buf1;*buf1 = *buf2;*buf2 = tmp;buf1++;buf2++;}
}void bsort(void* base, size_t num, size_t size, int (*cmp)(const void* e1, const void* e2))
{int i = 0;for ( i = 0; i < num - 1; i++){int j = 0;for ( j = 0; j < num - 1 - i; j++){//if(arr[j]>arr[j+1])if (cmp((char*)base + size * j, (char*)base + size * (j + 1)) > 0) //大于0时，证明j的元素大于j+1的元素，所以要交换位置{//交换swap((char*)base + size * j, (char*)base + size * (j + 1), size);}}}
}int cmp_in(const void* e1, const void* e2)
{return *(int*)e2 - *(int*)e1;  //进行【降序】排序
}int main()
{int arr[] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);bsort(arr, sz,sizeof(arr[0]),cmp_in);return 0;
}

2、指针和数组笔试题解析

计算下面运算输出的值

2.1、一维数组

int a[] = { 1,2,3,4 };
printf("%d\n", sizeof(a));
printf("%d\n", sizeof(a + 0));
printf("%d\n", sizeof(*a));
printf("%d\n", sizeof(a + 1));
printf("%d\n", sizeof(a[1]));
printf("%d\n", sizeof(&a));
printf("%d\n", sizeof(*&a));
printf("%d\n", sizeof(&a + 1));
printf("%d\n", sizeof(&a[0]));
printf("%d\n", sizeof(&a[0] + 1));

【答案】32位环境下运行的结果

【解析】

printf("%d\n", sizeof(a));

sizeof(数组名)，这里的数组名表示整个数组，所以计算的是整个数组的大小，4(int字节数)*4=16。

printf("%d\n", sizeof(a + 0));

a并非单独放在sizeof内部，也没有&，所以数组名a是数组首元素的地址，a+0还是首元素的地址，32位环境下，地址大小就是4。

printf("%d\n", sizeof(*a));

 a并非单独放在sizeof内部，也没有&,所以数组名a是数组首元素的地址。*a 就是 首元素，大小就是4 ，特别的：*a == *(a+0) == a[0]

printf("%d\n", sizeof(a + 1));

 a并非单独放在sizeof内部，也没有&，所以数组名a是数组首元素的地址,a+1就是第2个元素的地址，32位环境下，地址大小就是4。

printf("%d\n", sizeof(a[1]));

 a[1]就是数组的第二个元素，这里计算的就是第二个元素的大小，int就是4。

printf("%d\n", sizeof(&a));

 &a - 是取出数组的地址，但是数组的地址也是地址，32位环境下，是地址就是4。数组的地址 和 数组首元素的地址 的本质区别是类型的区别，并非大小的区别。

printf("%d\n", sizeof(*&a));

 对数组指针解引用访问一个数组的大小，单位是字节，也可以理解成 *&相互抵消，即sizeof(*&a) =  sizeof(a)，sizeof(数组名)，这里的数组名表示整个数组，所以计算的是整个数组的大小。

printf("%d\n", sizeof(&a + 1));

 &a数组的地址，&a+1还是地址，是地址就是4。

printf("%d\n", sizeof(&a[0]));

 &a[0]是首元素的地址，计算的是地址的大小4。

printf("%d\n", sizeof(&a[0] + 1));

 &a[0]是首元素的地址，&a[0]+1就是第二个元素的地址，大小4。

2.2、字符数组

char arr[] = {'a','b','c','d','e','f'};
printf("%d\n", sizeof(arr));
printf("%d\n", sizeof(arr+0));
printf("%d\n", sizeof(*arr));
printf("%d\n", sizeof(arr[1]));
printf("%d\n", sizeof(&arr));
printf("%d\n", sizeof(&arr+1));
printf("%d\n", sizeof(&arr[0]+1));

【答案】 32位环境下运行的结果

【解析】

printf("%d\n", sizeof(arr));

 数组名arr单独放在sizeof内部，计算的是整个数组的大小6。

printf("%d\n", sizeof(arr + 0));

arr是首元素的地址==&arr[0]，是地址就是4。

• 指针变量的大小和类型无关，不管什么类型的指针变量，大小都是4/8个字节
• 指针变量是用来存放地址的，地址存放需要多大空间，指针变量的大小就是几个字节
• 32位环境下，地址是32个二进制位，需要4个字节，所以指针变量的大小就是4个字节
• 64位环境下，地址是64个二进制位，需要8个字节，所以指针变量的大小就是8个字节

printf("%d\n", sizeof(*arr));

 arr是首元素的地址，*arr就是首元素，大小就是1。

printf("%d\n", sizeof(arr[1]));

 arr[1]就是第2个元素，大小就是1。

printf("%d\n", sizeof(&arr));

 &arr是数组的地址，sizeof(&arr)就是4

printf("%d\n", sizeof(&arr + 1));

&arr+1 是跳过数组后的地址， 是地址就是4。

printf("%d\n", sizeof(&arr[0] + 1));

 第二个元素的地址，是地址就是4。

看完sizeof了，再来看一组strlen

printf("%d\n", strlen(arr));
printf("%d\n", strlen(arr+0));
printf("%d\n", strlen(*arr));
printf("%d\n", strlen(arr[1]));
printf("%d\n", strlen(&arr));
printf("%d\n", strlen(&arr+1));
printf("%d\n", strlen(&arr[0]+1));

 【答案】32位环境下运行的结果

1、随机值

2、随机值

3、err

4、err

5、随机值

6、随机值-6

7、随机值-1

【解析】

注意：题目中使用的是char arr[] = {'a','b','c','d','e','f'};的创建方式，该方式不会自动在末尾添加\0，而strlen只有遇到\0才会停下

printf("%d\n", strlen(arr));

arr是首元素的地址，就是从arr第一个元素开始，找\0，由于不知道后面\0在哪个位置，因此是随机值。

printf("%d\n", strlen(arr + 0));

 arr是首元素的地址, arr+0还是首元素的地址，与上一题同理，是随机值。

printf("%d\n", strlen(*arr));

 arr是首元素的地址, *arr就是首元素，srtlen需要接收一个地址，而这里传递的是一个字符，站在strlen的角度，认为传参进去的'a'-97就是地址，97作为地址，直接进行访问，就是非法访问，因此程序会报错。

printf("%d\n", strlen(arr[1]));

 arr第二个元素地址'b'，与上一题同理，非法访问程序报错。

printf("%d\n", strlen(&arr));

 &arr表示整个数组的地址，向后查找\0，因此是随机值。

printf("%d\n", strlen(&arr + 1));

  &arr表示整个数组的地址，&arr + 1表示跳过整个数组（6个字节）向后查找\0，因此是随机值-6。

printf("%d\n", strlen(&arr[0] + 1));

 &arr[0]表示首元素地址，&arr[0] + 1跳过一个元素，向后查找\0，因此是随机值-1。

下面换成char arr[] = "abcdef";再来看看

char arr[] = "abcdef";
printf("%d\n", sizeof(arr));
printf("%d\n", sizeof(arr+0));
printf("%d\n", sizeof(*arr));
printf("%d\n", sizeof(arr[1]));
printf("%d\n", sizeof(&arr));
printf("%d\n", sizeof(&arr+1));
printf("%d\n", sizeof(&arr[0]+1));

【答案】32位环境下运行的结果

 

【解析】

printf("%d\n", sizeof(arr));

 sizeof(数组名)表示整个数组，sizeof是会把\0也计入在内的，因此是7。

printf("%d\n", sizeof(arr + 0));

 arr+0表示首元素地址，是地址就是4。

printf("%d\n", sizeof(*arr));

 *arr表示首元素，首元素是char类型，所以就是1。

printf("%d\n", sizeof(arr[1]));

 第二个元素，所以就是1。

printf("%d\n", sizeof(&arr));

&arr表示整个数组的地址， 是地址就是4

printf("%d\n", sizeof(&arr + 1));

 &arr表示整个数组的地址， &arr + 1表示跳过整个数组，是地址就是4。

printf("%d\n", sizeof(&arr[0] + 1));

 第一个元素的地址，是地址就是4。

换成srtlen

printf("%d\n", strlen(arr));
printf("%d\n", strlen(arr+0));
printf("%d\n", strlen(*arr));
printf("%d\n", strlen(arr[1]));
printf("%d\n", strlen(&arr));
printf("%d\n", strlen(&arr+1));
printf("%d\n", strlen(&arr[0]+1));

【答案】

1、6

2、6

3、err

4、err

5、6

6、随机值

7、5

【解析】

printf("%d\n", strlen(arr));

 统计\0前有多少个元素，就是6。

printf("%d\n", strlen(arr + 0));

 arr+0等于首元素地址，统计\0前有多少个元素，就是6。

printf("%d\n", strlen(*arr));

 *arr表示首元素，把元素作为地址直接进行访问，就是非法访问，因此程序会报错。

printf("%d\n", strlen(arr[1]));

 与上一题同理，非法访问程序报错。

printf("%d\n", strlen(&arr));

 &arr表示整个数组的地址，向后找\0所以是6。

printf("%d\n", strlen(&arr + 1));

  &arr表示整个数组的地址，&arr + 1表示跳过了一整个数组，跑到了\0之后，无法知道下一个\0在哪里，所以是随机值。

printf("%d\n", strlen(&arr[0] + 1));

 &arr[0] + 1 表示第二个元素的地址，向后找\0等于5。

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