嵌入式开发基础从启动例程到硬件之array[-1]为什么会动作(数组实体)

概述

编写程序时，没有比数组更容易使用的了。因此，不知什么时候，“数组”这个抽象的概念在脑海中形成了，你有没有想过什么特别的东西呢？
在此，我们将探讨C语言中的数组实体。

回想起内存空间的样子

使用数组时需要注意的是，例如，
int array[10]；
如果声明，array[0]，array[1]，.，array[9]是“索引使用0到9”。在这个范围内使用索引是一种彬彬有礼的程序的制作方法。但是，即使使用超出范围的索引，程序也会运行(除了作为动作是否正确之外)。极端的话，在array[-1]中也会动作。你能解释为什么吗？我不能只用数组这个概念来解释这一点。考虑数组的实体。

首先，让我们回忆内存空间的样子。所谓内存空间，是为了配置程序的代码和数据的(逻辑性的)场所，实际上存在于微型计算机的内置内存和微型计算机外部的RAM和ROM中。MMU(Memory Management Unit)的微型计算机也有，
在这里，为了简化说明，假设没有MMU。在内存空间中分配了地址，由此可以唯一地指定哪个内存。内存空间的地址，例如如果使用32位来表示的话，可以从0x00000000地址分配到0xffffffff地址，
在实际使用时，并不是所有这些地址都可以使用。只有安装了与地址对应的内存的部分才能使用。例如，在图3-1中，显示了从0x00000000地址到0x0000ffff地址和0xffffff0000地址到0xffffffff地址可以使用。

那么，数组array是如何在这个内存空间中存在的呢？
在图3-1中，数组数组排列在从0x1020到0x1047。由此，数组[0]是0x1020，array[1]是0x1024，array[2]是0x1028，以此类推。这些地址不是分配给数组中的每个元素的地址，而是根据数组的开头地址和偏移量计算的。
也就是说，在数组[5]的情况下，

数组[5]的地址=数组数组的起始地址+第五个元素的偏移。
            =0x1020+5×sizeof(Int)。
            =0x1020+0x14=0x1034(3-1)。

也就是说，只要确定数组的开头地址，就可以从从索引和数组的类型中知道的数据长度(在这个例子中是sizeof(Int))知道数组的各要素的地址。也就是说，为了利用数组，只要有内存空间上的连续场所就可以了。

在这里所示的内存空间中，灰色的部分表示实际安装了内存的地址(实际使用的内存部分)。排列的实体只不过是贴在内存空间上的某个领域。

当你想到指针时，你会看到一个数组

接下来，我将解释数组和指针之间的关系，因为如果使用前面的例子，array表示数组的开头地址，

array = 0x1020。

另外，各数组要素的地址，使用&运算符(计算指定数据的地址)，可以表示如下。

&array[0]=0x1020。
&array[1]=0x1024。
&array[2]=0x1028。
&array[3]=0x102c。
&array[4]=0x1030。
&array[5]=0x1034。

这些地址的计算与刚才公式(3-1)的计算相同。用于存储这些地址信息的是指针。指针不仅是地址信息(如果只是这样的话作为整数数据处理就足够了)，将数据写入该地址，
或者也可以用来读取存储在该地址中的数据。为此需要类型信息，所以指针也同时具有类型信息。也就是说，

int *p = array;

这样记述的话，p是指示数组array开头的指针，该指针表示的地址的内容是int型。从嵌入式软件来看，数组是粘贴在内存上的某个区域，并不是特别的。如上所述的地址计算都是由C编译器进行的，所以数组也可以说是C编译器创造出的假象。也就是说，数组的实体是，具有与数组相同的类型信息，可以认为是指示数组开头地址的指针。
顺便问一下，你知道(int*)0x1020这个表达的意思吗？
0x1020是整数，如果把它看作地址的话，可以解释为，在(int*)的传送中带有类型信息的指针(即，在地址0x1020中其内容是int的指针)。

int *p = (int *)0x1020; （3-2）

即

int *p = array;

在普通的C语言的程序中不使用式(3-2)那样的表现，但是在嵌入式程序中为了访问周边I/O的寄存器操作在日常中使用，所以请一定要记住。
那么，考虑array[-1]。和公式(3-1)一样考虑的话，如下所示。

数组[-1]的地址=数组array的起始地址+(-1)个元素的偏移。
             =0x1020-1×sizeof(Int)。
             =0x1020-0x14。
             =0x101c。

C编译器机械地进行地址计算。也就是说，array[-1]指向0x101c地址的int数据(根据图3-1，array[-1]的值为“256”)。对于程序的动作，啊？，数组的索引可能是负的。

数组和指针的区分使用

数组的实体是指针。因此，在写程序的时候，无论是使用数组还是使用指针，在原理上都是一样的。在现实中，从程序的可读性和扩张性，或者效率方面分别使用两者。例如，虽然依存于C编译器，根据使用数组还是使用指针，C编译器生成的代码有时会出现效率方面的差异。也就是说，

    int array[10], n;
　　for（n=0; n<10; ++n） {
　　　　array[n] = 0; 
　　}

和

　　int array[10], n, *p;
　　for(n=0, p=array; n<10; ++n) {
　　　　*p++ = 0;
　　}

如果您有兴趣，请将汇编源输出到C编译器的选项进行比较，这是有趣的。

结束语

理解数组的实体，即数组和指针的关系，在嵌入式软件中是极其重要的。另外，包括负的索引的情况，访问超过数组领域的场所的数据发生的错误意外的多。