Stanford CS107 Lecture 9：Array 不是 Pointer，但它們在運算式裡合作

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「array 就是 pointer」有誤。arr[i] 與 *(arr + i) 取得同一元素，函式參數也只收到首元素位址；但 array object 擁有元素空間，pointer variable 只存位址。前者不能重新賦值，且原作用域中的 sizeof 會算整個陣列；後者則相反。

Lecture 9 用「C strings 七誡」整理陷阱。每讀一行都要回答：這是 array object 還是 pointer value？字元存在哪裡？位址能否改指別處？透過它寫入是否合法？

本講資料與完整 agenda

• 課程：Stanford CS107: Computer Organization & Systems
• 學期：Winter 2026
• 官方講次：Lecture 9，2026-01-26
• calendar 標題：Pointers and Arrays
• 投影片標題：Arrays and Pointers
• 講者：syllabus 列 Jerry Cain；PDF 未另列講者
• 已讀材料：calendar、26 頁投影片、cppreference 三個條目與 SEI CERT STR30-C
• 材料缺口：Canvas 錄影與 lecture code 未公開；本文不虛構課堂討論

官方 calendar要求理解 array／pointer 轉換與連續記憶體。七條規則是：local char[] 可修改；array name 不可重新賦值；array 在多數情境轉成 pointer；string literal 不可修改；pointer 可重新賦值；位移產生 suffix；透過參數 alias 的修改會留在呼叫端。

先把三個東西分開：陣列物件、指標變數、字串常值

char fruit[] = "apple";
char *food = fruit;
const char *label = "apple";

fruit 是六個 char 組成的 array object，內容是五個字母與 \0。宣告本身配置所有元素的儲存空間。food 是 pointer variable，它另外占一塊足以保存位址的空間，目前值是 &fruit[0]。label 也是指標，但指向由 string literal 產生、具有 static storage duration 的陣列。

cppreference 的 array 條目將陣列定義為特定元素型別、連續配置且非空的 object sequence；元素數量在該陣列生命週期內不變。這跟 pointer 的定義不同：pointer value 可以指向物件或越過陣列末端一格的位置，pointer variable 則可以被重新指定成另一個合法位址。

fruit 在多數運算式裡會轉成首元素指標，因此常與 food 產生相同位址值；相同結果不代表相同物件種類。

第一條：local char[] 擁有可修改的元素

char str[6];
strcpy(str, "apple");

// equivalent initialization
char other[] = "apple";

str[0] = 'A';
other[4] = 'y';

兩個宣告都建立可修改的陣列。第二種語法使用 string literal 當 initializer，把包含 terminator 的內容放進新陣列；它不是讓 other 永遠指向 literal。投影片以 local 變數說明這些 bytes 位於宣告函式的 stack frame，因此在陣列生命週期內可寫。

更一般地說，可修改性由實際物件與型別限定決定，不該只靠猜位址在哪個 segment。local non-const array 是本講最清楚的案例；static array、heap allocation 也可能可寫。判斷時要看資料怎麼建立、生命週期與介面契約，而不是看到 char * 就斷定可修改。

char str[] = "apple" 會由 initializer 推導容量 6；若手寫 char str[5] = "apple"，就沒有位置存 terminator，不能把結果當正常 C string。陣列可寫不代表任何寫入索引都合法，容量邊界仍然存在。

第二條：array name 不能被重新賦值

char good[12];
strcpy(good, "Dr. Jekyll");

char evil[] = "Mr. Hyde";
good = evil; // compile-time error

good 不是可存放新位址的 pointer variable；它是已配置好的十二元素陣列。指定運算無法把這整塊物件改成「從此代表 evil 的儲存區」。cppreference 的 array assignment 說明同樣指出，array type 的物件不是 modifiable lvalue，不能直接以 assignment operator 指定，即使包在 struct 中的陣列可隨整個 struct 一起複製。

若目標是複製字串內容，用有容量證明的 copy；若目標是讓名稱改指別處，就需要 pointer variable：

char *current = good;
current = evil; // pointer now holds &evil[0]

這只改 current 保存的位址，不會搬動或複製任何字元。good 與 evil 仍是原本兩塊陣列，大小在各自生命週期內不變。

第三條：array-to-pointer conversion 發生在多數運算式，不是所有地方

void fun_times(char *str) {
    /* str stores an address */
}

int main(void) {
    char local_str[5] = "rice";
    fun_times(local_str);
}

呼叫時沒有複製五格陣列。local_str 轉成指向首元素的 pointer，位址值按值傳入 str。函式參數寫成 char str[] 也一樣；在 function parameter declarator 中，它會調整為 pointer type。

cppreference 的 array-to-pointer conversion把規則寫得更精確：除了作為 &、sizeof、typeof／typeof_unqual 或用來初始化字元陣列的 string literal 等特定操作數，多數 array expression 都轉成指向首元素的非 lvalue pointer。這些例外正是「array 永遠是 pointer」會失敗的地方。

char local_str[5] = "rice";

sizeof local_str; // 5: operand remains an array here
&local_str;       // pointer to the whole array, type char (*)[5]
local_str + 2;    // conversion, then pointer to local_str[2]

local_str 與 &local_str[0] 在一般值情境給出相同起始位址；&local_str 的數值地址通常相同，型別與步長卻不同。前者加一移動一個 char，後者加一跨過整個五元素陣列。投影片稱 char *food = &fruit; misleading，原因就在這裡：即使某些編譯器只警告或接受不相容轉換，也不該抹掉型別差異。

sizeof 是最實用的反例：進函式前後答案不同

void inspect(char items[]) {
    printf("%zu\n", sizeof items); // sizeof(char *), not array capacity
}

int main(void) {
    char items[40];
    printf("%zu\n", sizeof items); // 40
    inspect(items);
}

在 main 中，items 仍是完整 array operand，所以 sizeof 取得整個陣列 bytes。到了 inspect，宣告中的 char items[] 已調整成 char *items；sizeof 只能量 pointer object。這不是執行期把容量弄丟，而是函式型別從一開始就沒有攜帶原陣列長度。

因此接受陣列的函式若需要邊界，必須另外接收 element count 或 byte capacity：

void inspect(char *items, size_t capacity);

呼叫端還握有 array object 時可以傳 sizeof items。不要在 callee 裡用 sizeof parameter 猜回容量，也不要把 pointer size 恰好等於某個小 buffer 大小當作測試通過。

第四條：string literal 產生陣列，但修改它是 undefined behavior

char salutation[] = "Good day!";
char *greeting = "Hello, world!";

salutation[3] = 'f'; // valid array write
greeting[0] = 'h';   // undefined behavior

第二行在 C 中可能編譯，卻不授權寫入 literal 的字元。cppreference 的 string literal 條目指出，程式嘗試修改 string literal 所形成的陣列，行為未定義；相同內容的 literals 是否使用同一儲存區也未指定。SEI CERT STR30-C因此建議只把 literals 指派給指向 const char 的指標。

const char *greeting = "Hello, world!";

const 讓編譯器在 greeting[0] = 'h' 處阻止錯誤，而不是等程式執行後看它 crash、靜默失敗或看似成功。Undefined behavior 的意思不是保證 segmentation fault；沒有可靠的 runtime probe 能普遍判斷某個 char * 背後是否可寫。

這也會沿著搜尋函式傳遞。CERT 規則特別指出，若 strchr、strrchr 或 strstr 的第一個引數來自 literal，回傳的 interior pointer 仍指向不可修改的同一儲存區。函式原型歷史上可能回傳 char *，不等於取得修改權。

函式如果要改字元，mutability 必須是介面前置條件

void capitalize(char *text) {
    text[0] = (char)toupper((unsigned char)text[0]);
}

capitalize 無法光看位址可靠判斷 caller 傳來的是可寫陣列、heap buffer，還是透過非 const pointer 指到 literal。函式能做的是把契約寫清楚：text 必須指向至少一個可寫字元並有合法生命週期；若需要處理空字串，先檢查 terminator。

只讀函式則接受 const char *。這不只是文件，它使可寫陣列與 literal 都能安全傳入，同時禁止函式透過該參數修改字元。需要輸出修改結果但不想要求 caller 提供 mutable input 時，可改成接受 source、destination 與 capacity，將複製責任明確化。

第五條：pointer variable 可重新賦值，因為它保存的是位址

const char *elphaba = "Idina Menzel";
const char *understudy = "Shoshana Bean";
elphaba = understudy;

指定後，兩個 pointer variables 保存相同位址。"Idina Menzel" 的 bytes 沒被覆寫，也沒有發生字串 copy；只是 elphaba 不再指向它。pointer assignment 改的是導航資訊，不是目的地物件。

同理：

char fruit[] = "apple";
char *food = fruit;
char *same = &fruit[0];

food 與 same 都 alias fruit[0]。透過任一指標寫入合法索引，fruit 觀察到同一變化。把 pointer 改指別處，則不會改動 fruit。這兩種「改」必須分清：food = other 修改 pointer value；food[0] = 'A' 修改 pointee。

第六條：pointer arithmetic 依元素型別縮放，合法範圍仍在同一陣列

const char *a = "peach";
const char *b = a + 1;
const char *c = a + 3;

printf("%s\n", a); // peach
printf("%s\n", b); // each
printf("%s\n", c); // ch

對 char * 加一移動一個 char；對 int * 加一會移動一個 int 的距離。cppreference 的 pointer arithmetic 說明限制結果必須指向同一 array object 的元素，或恰好 one-past-the-end。One-past pointer 可用於比較與迴圈終點，但不能解參照。

a + 5 指向 "peach" 的 terminator，因此可作為空 suffix 印出；a + 6 是 one-past whole array，不能當 C string 使用，因為從那裡開始沒有屬於此陣列的可讀 terminator。再往後做 arithmetic 已超出同一陣列規則。

這個界線讓 suffix 技巧變得精確：offset 必須落在可見字元或 terminator 的索引範圍內，且原陣列生命週期尚未結束。Pointer value 沒有自帶 capacity；caller 必須從其他資訊證明 offset 合法。

arr[i] 等價於 *(arr + i)，不代表 array 與 pointer 是同一型別

const char *str = "booze";
char ch1 = str[4];
char ch2 = *(str + 4);
char ch3 = *(4 + str);
char ch4 = 4[str];

四者都取得 'e'。下標運算以 pointer arithmetic 加 dereference 定義，所以加法可交換後甚至產生古怪但合法的 4[str]。投影片明確建議不要這樣寫：合法語法不等於清楚介面。

這個等價式只解釋 element access。它沒有把 array object 變成 pointer variable，也沒有讓 sizeof、assignment 或 &array 的型別行為消失。最安全的心智模型是：陣列在需要元素位址的運算式中「提供」首元素 pointer，運算完成後原陣列仍是原陣列。

第七條：參數複製位址，修改透過 alias 回到呼叫端

void func(char *s) {
    s[4] = 'k';
}

int main(void) {
    char str[] = "spare";
    func(str);
    printf("%s\n", str); // spark
}

C 仍然是 pass-by-value。被複製的是 &str[0] 這個位址值，不是整個陣列。callee 的 s 與 caller 的 str 指向相同元素，因而 s[4] 修改原陣列。函式返回後 local pointer parameter 消失，陣列內的 byte 變更不會跟著復原。

若 callee 執行 s = other，只會改自己的 pointer copy，caller 的 array name 或 pointer variable 不會被重新指定。要讓函式改 caller 的 pointer variable 本身，需要傳 pointer-to-pointer；那是下一層 indirection，不應和「透過 pointer 修改 pointee」混在一起。

生命週期也不能省略。把 local array 的位址傳給函式並在呼叫期間使用沒有問題；若函式保存該位址，等宣告函式返回後再用，就成為 dangling pointer。Aliasing 說明多個 expression 指向同一物件，並不延長物件生命。

把七條規則濃縮成三次判斷

第一，判斷 expression 的型別與轉換。它原本是 array object、pointer variable，還是 literal 產生的陣列？目前語境會不會觸發 array-to-pointer conversion？sizeof 與 & 是常見反例。

第二，判斷 storage 與 mutability。指標值能重新賦值，不代表 pointee 可寫；pointer 宣告為 char * 也不能洗掉 literal 不可修改的事實。若函式會寫，caller 必須提供可寫物件，介面應記錄這份要求。

第三，判斷 bounds 與 lifetime。Pointer arithmetic 只在同一陣列及 one-past 範圍內有定義；one-past 不能解參照。Suffix 必須仍能在合法範圍內到達 terminator，且原物件仍存活。

做 code review 時，可以對每個 char * 寫下「來源物件、可寫與否、已知容量、有效期限」四欄。若其中一欄只能靠猜，介面就少傳了資訊或少寫了前置條件。

Lecture 9 最終不是要消除 array 與 pointer 的差別，而是理解它們為何能合作：陣列提供連續元素與儲存空間，轉換提供首元素位址，pointer arithmetic 提供導航，dereference 才真正存取元素。把四步分開，arr[i] 的便利就不會再掩蓋底下的記憶體契約。

參考資料

• Stanford CS107 Winter 2026 Calendar
• Stanford CS107 Lecture 9: Arrays and Pointers（PDF）
• cppreference: Array declaration
• cppreference: String literals
• cppreference: Arithmetic operators and pointer arithmetic
• SEI CERT STR30-C: Do not attempt to modify string literals