为什么负数组索引有意义？

我在C编程方面遇到了奇怪的经历。考虑以下代码：

int main(){
  int array1[6] = {0, 1, 2, 3, 4, 5};
  int array2[6] = {6, 7, 8, 9, 10, 11};

  printf("%d\n", array1[-1]);
  return 0;
}

编译并运行此程序时，没有任何错误或警告。正如我的讲师所说，数组索引-1访问另一个变量。我仍然很困惑，为什么编程语言具有这种能力？我的意思是，为什么要允许使用负数组索引？

数组索引操作a[i]从C的以下功能中获得其含义

1. 语法a[i]等效于*(a + i)。因此，说到5[a]的第5个元素是正确的a。

2. 指针算术表示，给定一个指针p和一个整数i，p + i 指针p按i * sizeof(*p)字节前进

3. 数组的名称a很快就变成了指向第0个元素的指针a

实际上，数组索引是指针索引的一种特殊情况。由于指针可以指向数组内的任何位置，因此看起来任何任意表达式p[-1]都不会出错，因此编译器不会（不能）将所有此类表达式都视为错误。

您的示例a[-1]中a实际上是数组名称的地方实际上是无效的。IIRC，如果有一个有意义的指针值作为表达式的结果是不确定的a - 1，其中a是知道是一个指针数组的第0个元素。因此，聪明的编译器可以检测到该错误并将其标记为错误。其他编译器仍然可以兼容，同时可以通过为您提供指向随机堆栈插槽的指针来使自己陷入困境。

计算机科学的答案是：

• 在C语言中，[]运算符是在指针而不是数组上定义的。特别是，它是根据指针算术和指针取消引用定义的。

• 在C中，指针抽象为(start, length, offset)条件为的元组0 <= offset <= length。指针算术本质上是针对偏移量的提升算法，但需要注意的是，如果运算结果违反了指针条件，则它是未定义的值。取消引用指针会添加一个附加约束offset < length。

• C的概念undefined behaviour允许编译器将元组具体表示为单个数字，而不必检测任何违反指针条件的情况。满足抽象语义的任何程序在具体（有损）语义上都是安全的。违反抽象语义的任何内容都可以在不加任何注释的情况下被编译器接受，并且它可以执行它想要做的任何事情。

数组只是简单地布置为连续的内存块。诸如a [i]的数组访问将转换为对内存位置addressOf（a）+ i的访问。这段代码a[-1]是完全可以理解的，它只是指向数组开始之前的地址。

这似乎很疯狂，但是有很多原因允许这样做：

• 检查a [-]的索引i是否在数组的范围内是很昂贵的。
• 一些编程技术实际上利用了a[-1]有效的事实 。例如，如果我知道这a实际上不是数组的开始，而是一个指向数组中间的指针，则a[-1]只需获取指针左侧的数组元素即可。

正如其他答案所解释的那样，这是C中未定义的行为。请考虑将C定义为（并且最常使用）“高级汇编程序”。C的用户对它的不妥协的速度非常看重它，并且出于纯粹的性能考虑，在运行时检查（大多数情况下）是不可能的。像这样的语言，有些C构造对于从其他语言来的人们似乎毫无意义a[-1]。是的，这并不总是有意义的（

可以使用这种功能来编写直接访问内存的内存分配方法。一种这样的用法是使用负数组索引检查前一个存储块，以确定两个块是否可以合并。开发非易失性内存管理器时，我已经使用了此功能。

C不是强类型。标准的C编译器不会检查数组范围。另一件事是C中的数组不过是一个连续的内存块，而索引从0开始，因此索引-1是之前任何位模式的位置a[0]。

其他语言则很好地利用了负数索引。在Python中，a[-1]将返回最后一个元素，a[-2]将返回倒数第二个元素，依此类推。

简单来说：

C语言中的所有变量（包括数组）都存储在内存中。假设您有14个字节的“内存”，并初始化了以下内容：

int a=0;
int array1[6] = {0, 1, 2, 3, 4, 5};

另外，将int的大小考虑为2个字节。然后，假设在内存的前2个字节中将保存整数a。在接下来的2个字节中，将保存数组的第一个位置的整数（即array [0]）。

然后，当您说array [-1]就像引用保存在array [0]之前的内存中的整数时，我们假设它是整数a。实际上，这并不是变量存储在内存中的确切方式。

//:Example of negative index:
//:A memory pool with a heap and a stack:

unsigned char memory_pool[64] = {0};

unsigned char* stack = &( memory_pool[ 64 - 1] );
unsigned char* heap  = &( memory_pool[ 0     ] );

int stack_index =    0;
int  heap_index =    0;

//:reserve 4 bytes on stack:
stack_index += 4;

//:reserve 8 bytes on heap:
heap_index  += 8;

//:Read back all reserved memory from stack:
for( int i = 0; i < stack_index; i++ ){
    unsigned char c = stack[ 0 - i ];
    //:do something with c
};;
//:Read back all reserved memory from heap:
for( int i = 0; i < heap_index; i++ ){
    unsigned char c = heap[ 0 + i ];
    //:do something with c
};;