Почему оператор стрелки (->) в C существует?

Я рассмотрю ваш вопрос как два вопроса: 1) почему -> даже существует, и 2) почему . не автоматически разыгрывает указатель. Ответы на оба вопроса имеют исторические корни.

Почему существует ->?

В одной из первых версий языка C (которую я буду называть CRM для Справочное руководство по C", который пришел с 6-м Edition Unix в мае 1975 года), оператор -> имел очень исключительное значение, а не синоним комбинации * и .

Язык C, описанный CRM, во многом отличался от современного C. В элементах CRM-структуры реализована глобальная концепция смещения байтов, которая может быть добавлена ​​к любому значению адреса без ограничений типа. То есть все имена всех членов структуры имели независимый глобальный смысл (и, следовательно, должны были быть уникальными). Например, вы можете объявить

struct S {
  int a;
  int b;
};

и имя a будет стоять за смещение 0, а имя b будет стоять за смещение 2 (предполагая int тип размера 2 и без заполнения). Язык требует, чтобы все члены всех структур в блоке перевода либо имели уникальные имена, либо стояли за одно и то же значение смещения. Например. в той же системе перевода вы можете дополнительно объявить

struct X {
  int a;
  int x;
};

и это будет нормально, так как имя a будет постоянно стоять на смещение 0. Но это дополнительное объявление

struct Y {
  int b;
  int a;
};

будет формально недействительным, поскольку он попытался "переопределить" a как смещение 2 и b как смещение 0.

И здесь приходит оператор ->. Поскольку каждое имя члена структуры имеет свой собственный самодостаточный глобальный смысл, выражения, поддерживаемые языком, такие как

int i = 5;
i->b = 42;  /* Write 42 into `int` at address 7 */
100->a = 0; /* Write 0 into `int` at address 100 */

Первое назначение интерпретировалось компилятором как "принимать адрес 5, добавлять смещение 2 к нему и назначать 42 значению int на результирующем адресе". То есть приведенное выше присваивало значение 42 int по адресу 7. Обратите внимание, что это использование -> не заботилось о типе выражения в левой части. Левая сторона была интерпретирована как числовой адрес rvalue (будь то указатель или целое число).

Такая комбинация невозможна с комбинациями * и .. Вы не могли сделать

(*i).b = 42;

поскольку *i уже является недопустимым выражением. Оператор *, так как он отделен от ., накладывает более строгие требования к типу на свой операнд. Чтобы обеспечить возможность обойти это ограничение, CRM представила оператор ->, который не зависит от типа левого операнда.

Как отметил Кейт в комментариях, эта разница между комбинациями -> и * + . заключается в том, что CRM означает "расслабление требования" в 7.1.8: кроме ослабления требования что E1 имеет тип указателя, выражение E1−>MOS в точности эквивалентно (*E1).MOS

Позже, в K & R C, многие функции, первоначально описанные в CRM, были значительно переработаны. Идея "член структуры как глобальный идентификатор смещения" была полностью удалена. И функциональность оператора -> стала полностью идентичной функциональности комбинаций * и ..

Почему не удается . автоматически разыменовать указатель?

Опять же, в версии CRM языка левый операнд оператора . должен был быть lvalue. Это было единственным требованием, налагаемым на этот операнд (и тем, что отличает его от ->, как объяснялось выше). Обратите внимание, что CRM не требует, чтобы левый операнд . имел тип структуры. Это просто требовало, чтобы это была lvalue, любая lvalue. Это означает, что в CRM-версии C вы можете написать код, подобный этому

struct S { int a, b; };
struct T { float x, y, z; };

struct T c;
c.b = 55;

В этом случае компилятор записывал бы 55 в значение int, расположенное в смещении байта 2 в блоке непрерывной памяти, известном как c, хотя тип struct T не имел поля с именем b. Компилятор вообще не заботится о фактическом типе c. Все, о чем он заботился, это то, что c был lvalue: какой-то записываемый блок памяти.

Теперь обратите внимание, что если вы сделали это

S *s;
...
s.b = 42;

код будет считаться действительным (поскольку s также является значением lvalue), и компилятор просто попытается записать данные в указатель s сам по байту-смещению 2. Излишне говорить, что подобные вещи могли бы легко привести к переполнению памяти, но язык не касался таких вопросов.

т.е. в этой версии языка ваша предлагаемая идея о перегрузке оператора . для типов указателей не будет работать: оператор . уже имел очень специфическое значение при использовании с указателями (с указателями lvalue или с любыми значениями l вообще). Это была очень странная функциональность, без сомнения. Но он был там в то время.

Конечно, эта странная функциональность не является очень сильной причиной для введения перегруженного оператора . для указателей (как вы сказали) в переработанной версии C-K & R C. Но это не было сделано. Возможно, в то время в CRM-версии C был написан код устаревшего кода, который должен был поддерживаться.

(URL-адрес справочного руководства 1975 года C может быть нестабильным. Другая копия, возможно с некоторыми незначительными отличиями, здесь.)