C语言学习笔记：为什么&相当于升级而*相当于降级？

最近一直在学习北京大学李戈老师在Coursera上的MOOC课程《计算概论A》。在课程的后半部分讲到了C语言的指针运算符&和*在数组中的应用。课程中李戈老师通过分析讲解和引用C语言规范文档清晰地讲清楚了这两个运算符的含义，并给出了三条非常重要的结论：

1. 数组名相当于指向数组第一个元素的指针；

2. &E相当于把E的管辖范围上升了一个级别；

3. *E相当于把E的管辖范围下降了一个级别。

利用这三条结论，我们可以非常方便且准确地分析指针运算符在数组中应用时的含义，因此这三条结论十分重要。这三条结论不仅值得花时间记下来，也值得花时间真正搞清楚为什么是这样的，这样才不至于死记硬背。在这里，我根据李戈老师的讲解，用中文将此处知识整理一下，便于学习和复习。

两条事实

由于多维数组实质上就是嵌套(nested)数组，所谓的“多维”不过是基于这样一个事实：数组也可以作为数组之中的元素。

&运算符只能用在实体（就是变量）前面，*运算符只能用在指针前面。

什么是“表达式E的管辖范围（级别）”？

上述结论中涉及到了这样一个概念：“表达式E的管辖范围”，也就是“表达式E的级别”。那么，什么是所谓的“管辖范围”和“级别”呢？

以整型二维数组a[i][j]为例。以下表达式的“管辖范围”（“级别”）依次降低：

&a 指针，指向整个二维数组a
a 指针，指向二维数组a的第一个元素（一维数组a[0]）
*a 指针，指向二维数组a的第一个元素（一维数组a[0]）中的第一个元素（int变量 a[0][0]）
*a[0] int变量，就是a[0][0]

其中前三者（都是指针）存储的值都是该二维数组a的第一行的首个元素的起始地址，但区别在于所指的“范围”不同。当对它们进行+1运算的时候，跨过的范围是不同的。

通俗地说，指针化的程度越高，表示的范围越大，级别越高。

为什么&表示升级？

首先，当&用在多维数组中最基本的元素（而不是数组名，如本例中的a[0][0]）前面的时候，情况是最简单的：整个表达式表示指向这个元素的指针。

而当&用在一个数组名前面的时候，由于&运算符只能用在实体（变量）前面，而根据结论1，一个数组的名字（如本例中二维数组的名字a和一维数组的名字a[0]）实质上就是指向该数组第一个元素的指针，因此在&后接一个数组名（如本例中的&a和&a[0]）实质上是在&后接了一个指针。这个时候怎么处理呢？C语言的规范文档中规定：此时整个表达式是一个指针，并且表示指向整个该数组的指针（在本例中，&a就是指向整个二维数组a的指针，&a[0]就是指向整个一维数组a[0]的指针）。这样，数组名在前面加上&运算符后，就由原先“指向该数组的第一个元素的指针”升级为“指向该数组整体的指针”，这样就完成了对&运算符后接的表达式的“升级”。这就是结论2的含义。

为什么*表示降级？

*运算符的情况比较简单一些，因为*只能用在指针前面，而根据结论1，数组名是指针化的。通俗地说，通过结论1，实体（变量）能变成指针，而指针不能变成实体（变量），因此*运算符不存在像上述&运算符那样的人为规定。所以*运算符就表示指针的实体化。而对于数组而言，指针实体化后所变成的那个实体（变量）如果仍然是数组名（如在本例中，*a变成a[0]），则根据结论1，*运算符将a（表示指向a[0]的指针）本身又降了一级，整个表达式表示a[0]（表示指向a[0][0]的指针），从而完成了对*运算符后接的表达式的“降级”。这就是结论3的含义。