深入理解指针（一）

在讲 内存和地址 之前，我们想有个生活中的案例：
假设有⼀栋宿舍楼，把你放在楼里，楼上有100个房间，但是房间没有编号，你的⼀个朋友来找你玩，
如果想找到你，就得挨个房子去找，这样效率很低，但是我们如果根据楼层和楼层的房间的情况，给每个房间编上号，
有了 房间号 ，如果你的朋友得到房间号，就可以快速的找房间，找到你。

如果把上面的例子对照到计算中，又是怎么样呢？
我们知道计算上 CPU（中央处理器） 在处理数据的时候，需要的 数据是在内存中读取 的，处理后的数据也会放回内存中，那我们买电脑的时候，电脑上内存是8GB/16GB/32GB等，那这些内存空间如何 高效的管理 呢？
其实也是把内存划分为 一个个的内存单元 ，每个内存单元的大小取 1个字节

计算机中常见的单位（补充）：

其中，每个 内存单元 ，相当于一个 学生宿舍 ，一个人字节空间里面能放 8个比特位 ，就好比同学们住的 八人间 ，每个人是⼀个比特位。
每个内存单元也都有一个编号（这个编号就相当于宿舍房间的门牌号），有了这个内存单元的编号，CPU就可以快速找到⼀个内存空间。

生活中我们把门牌号也叫地址，在计算机中我们把 内存单元的编号 也称为地址。C语言中给地址起了新的名字叫：指针
所以我们可以理解为：
内存单元的编号 == 地址 == 指针

如何理解编址

硬件与硬件之间是互相独立的，那么如何通信呢？答案很简单， 用"线"连起来 。
而CPU和内存之间也是有大量的 数据交互 的，所以，两者必须也用线连起来。
不过，我们今天关心一组线，叫做 地址总线 。

我们可以简单理解， 32位机器有32根地址总线 ，每根线只有两态，表示0,1【电脉冲有无】，那么一根线，就能表示2种含义，2根线就能表示4种含义，依次类推。 **32根地址线，**就能表示 2^32种含义， 每一种含义都代表一个地址。

指针变量和地址

取地址操作符（&）

理解了内存和地址的关系，我们再回到C语言，在C语言中创建变量其实就是向内存申请空间

比如，上述的代码就是创建了整型变量a，内存中申请4个字节，用于存放整数10，其中每个字节都有地址，
上图中4个字节的地址分别是：
0x006FFD70
0x006FFD71
0x006FFD72
0x006FFD73
那我们如何能得到a的地址呢？
这里就得学习⼀个操作符(&)-取地址操作符
按照我画图的例子，会打印处理：006FFD70
&a 取出的是a所占4个字节中 地址较小的字节的地址 。

虽然整型变量占用4个字节，我们只要知道了 第一个字节地址 ， 顺藤摸瓜访问 到4个字节的数据也是可行的。

指针变量和解引用操作符（*）

指针变量

那我们通过 取地址操作符(&)拿到的地址 是⼀个数值，比如：0x006FFD70，这个数值有时候也是需要存储起来，方便后期再使用的，那我们把这样的 地址值存放 在哪里呢？
答案是： 指针变量 中。

指针变量也是一种变量，这种变量就是用来存放地址的，存放在指针变量中的值都会理解为地址。

如何拆解指针类型

我们看到pa的类型是 int* ，我们该如何理解指针的类型呢？

这里pa左边写的是 int* ， * 是在说明pa是 指针变量 ，而前面的 int 是在说明pa指向的是 整型(int) 类型的对象 。

解引用操作符

我们将地址保存起来，未来是要使用的，那怎么使用呢？
在现实生活中，我们 使用地址要找到⼀个房间 ，在房间里可以拿去或者存放物品。
C语言中其实也是⼀样的，我们只要拿到了地址（指针），就可以 通过地址（指针）找到地址（指针）指向的对象 ，这里必须学习一个操作符叫 解引用操作符(*) 。

上面代码中第7行就使用了解引用操作符， *pa 的意思就是通过pa中存放的地址，找到指向的空间，*pa其实就是a变量了；所以*pa = 0，这个操作符是把a改成了0.
有同学肯定在想 ，这里如果目的就是把a改成0的话，写成 a = 0; 不就完了，为啥 非要使用指针呢？
其实这里是把a的修改交给了pa来操作，这样 对a的修改 ，就多了一种的途径， 写代码就会更加灵活 ，后期慢慢就能理解了。

指针变量的大小

前面的内容我们了解到， 32位机器假设有32根地址总线 ，每根地址线出来的电信号转换成数字信号后是1或者0，那我们把32根地址线产生的2进制序列当做⼀个地址， 那么一个地址就是32个bit位，需要4个字节才能存储 。
如果指针变量是用来存放地址的，那么指针变量的大小就得是4个字节的空间才可以。
同理64位机器 ，假设有64根地址线，⼀个地址就是64个二进制位组成的二进制序列，存储起来就需要8个字节的空间， 指针变量的大小就是8个字节 。

指针变量类型的意义

指针变量的大小和类型无关，只要是指针变量，在同一个平台下，大小都是一样的，为什么还要有各种各样的指针类型呢？
其实 指针类型是有特殊意义的 ，我们接下来继续学习

指针的解引用

对比，下面2段代码，主要在调试时观察内存的变化

调试我们可以看到，代码1会将n的4个字节全部改为0，但是代码2只是将n的第⼀个字节改为0。
结论：指针的类型决定了，对指针解引用的时候有多大的权限 （一次能操作几个字节）
比如： char* 的指针解引用就只能访问一个字节，而 int* 的指针的解引用就能访问四个字节

指针+-整数

我们可以看出， char* 类型的指针变量 +1跳过1个字节 ， int* 类型的指针变量+ 1跳过了4个字节 。
这就是指针变量的类型差异带来的变化。
结论： 指针的类型 决定了指针 向前或者向后走一步有多大 （距离）。

void* 指针

在指针类型中有⼀种特殊的类型是 void* 类型的，可以理解为 无具体类型的指针 （或者叫泛型指针），这种类型的指针可以用来 接受任意类型地址 。但是也有局限性， void* 类型的指针不能直接进行 指针的+-整数和解引用 的运算。

在上面的代码中，将⼀个int类型的变量的地址赋值给⼀个char*类型的指针变量。编译器给出了一个警告（如下图），是因为 类型不兼容 。而使用 void*类型就不会 有这样的问题。

使用void*类型的指针接收地址：

这里我们可以看到， void* 类型的指针可以接收不同类型的地址，但是 无法直接进行指针运算。
那么 void* 类型的指针到底 有什么用 呢？
一般 void* 类型的指针是使用在 函数参数的部分 ，用来接收不同类型数据的地址，这样的设计可以实现 泛型编程的效果 。使得一个函数来处理多种类型的数据。

const修饰指针

const修饰变量

变量是可以修改的，如果把变量的地址交给一个指针变量，通过指针变量的也可以修改这个变量。
但是如果我们希望一个变量加上一些限制， 不能被修改 ，怎么做呢？这就是const的作用。

上述代码中n是不能被修改的，其实n本质是变量，只不过被const修饰后，在语法上加了限制，只要我们在代码中 对n进行修改 ，就 不符合语法规则 ，就报错，致使没法直接修改n。
但是如果我们绕过n，使用n的地址，去修改n就能做到了，虽然这样做是在打破语法规则。

我们可以看到这里一个确实修改了，但是我们还是要思考一下，为什么n要被const修饰呢？就是为了不能被修改，如果p拿到n的地址就能修改n，这样就打破了const的限制，这是不合理的，所以应该 让p拿到n的地址也不能修改n ，那接下来怎么做呢？

const修饰指针变量

当我们在指针左侧加上const，指针p就不可以通过地址修改n了

但如果是这样呢？好像和上面没什么区别。

那我们再改一下呢？发现又可以修改了，这是为什么呢？

我们来分析一下

结论： const修饰指针变量的时候
• const如果放在*的左边，修饰的是指针指向的内容，保证指针指向的内容不能通过指针来改变。
但是指针变量本身的内容可变。
• const如果放在*的右边，修饰的是指针变量本身，保证了指针变量的内容不能修改，但是指针指向的内容，可以通过指针改变。

指针运算

指针+- 整数

指针-指针

1.指针-指针 = 地址-地址

2.指针-指针的绝对值是指针和指针之间的元素个数
3.指针-指针运算的前提条件是：两个指针指向同一块空间

strlen函数的模拟实现，其中一种方法就是指针-指针

指针的关系运算

其实就是指针比较大小（地址比较大小）

野指针

概念： 野指针就是指针指向的位置是不可知的（随机的、不正确的、没有明确限制的）

野指针成因

1.指针未初始化

2.指针越界访问

3.指针指向的空间被释放

如何规避野指针

1.指针初始化

如果明确知道指针指向哪里就直接赋值地址，如果 不知道指针应该指向哪里 ，可以给指针赋值 NULL .
NULL 是C语言中定义的⼀个 标识符常量 ，值是0，0也是地址，这个地址是无法使用的，读写该地址会报错。

2.小心指针越界

一个程序向内存申请了哪些空间，通过指针也就只能访问哪些空间， 不能超出范围访问 ，超出了就是越界访问。

3.指针变量不再使用时，及时置NULL，指针使用之前检查有效性

当指针变量指向⼀块区域的时候，我们可以通过指针访问该区域，后期不再使用这个指针访问空间的时候，我们可以把该指针置为NULL。因为约定俗成的⼀个规则就是： 只要是NULL指针就不去访问，同时使用指针之前可以判断指针是否为NULL。

我们可以把 野指针想象成野狗 ，野狗放任不管是非常危险的，所以我们可以找⼀棵树把野狗拴起来，就相对安全了，给 指针变量及时赋值为NULL ，其实就 类似把野狗栓起来 ，就是把野指针暂时管理起来。
不过野狗即使拴起来我们也要绕着走，不能去挑逗野狗，有点危险；对于指针也是，在使用之前，我们也要 判断是否为NULL ， 看看是不是被拴起来起来的野狗 ，如果是不能直接使用，如果不是我们再去使用。

4.避免返回局部变量的地址

如造成野指针的第3个例子，不要返回局部变量的地址。

assert断言

assert.h 头文件定义了宏 assert() ，用于在运行时确保程序符合指定条件，如果不符合，就报错终止运行。这个宏常常被称为 "断言" 。

cpp 复制代码

assert(p != NULL);

上面代码在程序运行到这一行语句时，验证变量 p 是否等于 NULL 。如果确实不等于 NULL ，程序继续运行，否则就会终止运行，并且给出报错信息提示。
assert() 宏接受⼀个表达式作为参数。如果该 表达式为真 （返回值非零）， assert() 不会产生
任何作用 ，程序继续运行。如果该 表达式为假 （返回值为零）， assert() 就会报错 ，在标准错误流 stderr 中写入⼀条错误信息， 显示没有通过的表达式 ，以及包含这个表达式的 文件名和行号 。

assert() 的使用 对程序员是非常友好 的，使用 assert() 有几个好处：
它不仅能 自动标识文件和出问题的行号 ，还有一种 无需更改代码就能开启或关闭 assert() 的机制 。如果已经确认程序没有问题，不需要再做断言，就在 #include <assert.h> 语句的前面，定义⼀个宏 NDEBUG

cpp 复制代码

#define NDEBUG
#include <assert.h>

然后，重新编译程序，编译器就会禁用文件中所有的 assert() 语句。如果程序又出现问题，可以移除这条 #define NDBUG 指令（或者把它注释掉），再次编译，这样就重新用 assert() 语句。
assert() 的缺点是，因为引入了额外的检查， 增加了程序的运行时间 。
⼀般我们可以在 Debug 中使用，在 Release 版本中选择禁用 assert 就行，在 VS 这样的集成开发环境中，在 Release 版本中，直接就是优化掉了。
这样在debug版本写有利于程序员排查问题，在 Release 版本不影响用户使用时程序的效率。

指针的使用和传址调用

strlen函数的模拟实现

库函数strlen的功能是求字符串长度，统计的是字符串中 \0 之前的字符的个数。前面用过指针-指针的方式，现在我们换一种方式实现。

如果要模拟实现只要从起始地址开始向后逐个字符的遍历，只要不是 \0 字符，计数器就+1，这样直到 \0 就停止。

传值调用与传址调用

传值调用

我们发现，实参a，b的地址与形参 x，y的地址并不相同。所以这里得出一个结论：传值调用函数时，形参只是实参的一份临时拷贝。形参有自己独立的空间，改变形参并不会改变实参
那要怎么改呢？这时就体现出指针的重要性了。

传址调用

传址调用，可以让函数和主调函数之间建立真正的联系 ，在函数内部可以修改主调函数中的变量；所以未来函数中 只是需要主调函数中的变量值来实现计算 ，就可以采用 传值调用 。如果 函数内部要修改主调函数中的变量的值 ，就需要 传址调用 。