C语言指针超详解——强化篇

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强化篇

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  • C语言指针系列文章目录
  • [1. assert 断言](#1. assert 断言)
  • [2. 指针的使用和传址调用](#2. 指针的使用和传址调用)
    • [2. 1 strlen的模拟实现](#2. 1 strlen的模拟实现)
    • [2. 2 传值调用和传址调用](#2. 2 传值调用和传址调用)
  • [3. 数组名的理解](#3. 数组名的理解)
  • [4. 使用指针访问数组](#4. 使用指针访问数组)
  • [5. 一维数组传参的本质](#5. 一维数组传参的本质)
  • [6. 冒泡排序](#6. 冒泡排序)
  • [7. 二级指针](#7. 二级指针)
  • [8. 指针数组](#8. 指针数组)
  • [9. 指针数组模拟实现二维数组](#9. 指针数组模拟实现二维数组)

1. 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"。

使用方法如下:

c 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

c 复制代码
#define NDEBUG
#include<stdio.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 NDEBUG 指令(或者把它注释掉),再次编译,这样就重新启用了 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。

2. 指针的使用和传址调用

2. 1 strlen的模拟实现

库函数 strlen (包含在<string.h>中)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。

函数原型如下:

c 复制代码
size_t strlen ( const char * str );

不妨来尝试写一下:
方法一,计数器 :参数str接收一个字符串的起始地址,然后开始统计字符串中\0之前的字符个数,最终返回长度。

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。

方法二,指针-指针:参数str接收一个字符串的起始地址后,将其放入 str2中,在通过 str2 进行遍历字符串找到 '\0' ,返回两个指针的差。

代码示例:

c 复制代码
#include<stdio.h>
#include<string.h>

//方法一:计数器
size_t my_strlen(const char* str)
{
	int count = 0;
	while (*str)//'\0'的码值为0,当*str=='\0'时,循环停止
	{
		count++;
		str++;
	}
	return count;
}
//方法二:指针-指针
size_t my_strlen(const char* str)
{
	const char* str2 = str;
	while (*str2)
		str2++;
	return str2 - str;
}

int main()
{
	char a[] = "abcdef";
	printf("%zd ", strlen(a));
	printf("%zd ", my_strlen(a));
	return 0;
}

2. 2 传值调用和传址调用

学习指针的目的是使用指针解决问题,那什么问题,非指针不可呢?

来思考这样的问题:

设计一个函数,交换两个变量的值。

不加过多思考,可能会写出这样的代码:

c 复制代码
void Swap(int a, int b)
{
	int c = a;
	a = b;
	b = c;
}

当然,只要仔细思考一下,函数传参时形参是实参的拷贝 ,就能明白这个函数实际上没有任何意义了。

详情可见:C语言函数第4节

实际上,这种调用方式是把变量本身的值传递给了函数,这种方法就叫做传值调用

那怎么实现这个函数呢?

我们现在要解决的就是当调用Swap函数的时候,Swap函数内部操作的就是main函数中的a和b,直接将a和b的值交换了

那么就可以使用指针了,在main函数中将a和b的地址传递给Swap函数,Swap函数里边通过地址间接的操作main函数中的a和b,并达到交换的效果就好了。

我们对Swap 函数进行改进,并进行测试:

c 复制代码
#include<stdio.h>

void Swap(int* a, int* b)
{
	int c = *a;
	*a = *b;
	*b = c;
}

int main()
{
	int a = 9;
	int b = 5;
	printf("a=%d b=%d\n", a, b);
	Swap(&a, &b);
	printf("a=%d b=%d\n", a, b);
	return 0;
}

我们可以看到再次实现的Swap,顺利完成了任务,这里调用Swap函数的时候是将变量的地址传递给了函数 ,这种函数调用方式叫: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

3. 数组名的理解

或许你见过或是写过这样的代码:

c 复制代码
#include<stdio.h>
int main()
{
	int a[10] = { 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
	int* p = &a;
	return 0;
}

这里使用 &arr[0] 的方式拿到了数组第一个元素的地址。

但是其实数组名本来就是地址,而且是数组首元素的地址,我们来做个测试。

c 复制代码
#include<stdio.h>
int main()
{
	int a[10] = { 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
	int* p = &a;
	int* p2 = a;
	printf("%p\n%p", p, p2);
	return 0;
}

p 中存放的是 &a,而 p2 中存放的是 a,将它们用 %p 占位符打印出来:

很显然,这两个指针指向的地址是完全相同的!

也就是说:数组名就是数组首元素(第一个元素)的地址

当然没看到这里,你可能会有一些疑惑,如果说数组名是数组首元素的地址,那下面的代码怎么理解呢?

c 复制代码
#include<stdio.h>
int main()
{
	int a[] = { 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
	size_t sz = sizeof(a);
	printf("%zd", sz);//输出结果为 40
	return 0;
}

输出的结果是:40,如果arr是数组首元素的地址,那输出应该的应该是 4 / 8 (在x86和x64环境下,地址的大小不相同)才对。

其实数组名就是数组首元素(第一个元素)的地址是对的,但是有两个例外:

sizeof(数组名),sizeof中单独放数组名(注意是单独!),这里的数组名表示整个数组,
计算的是整个数组的大小,单位是字节

&数组名,这里的数组名表示整个数组,取出的是整个数组的地址
(整个数组的地址和数组首元素的地址是有区别的!)

除此之外,任何地方使用数组名,数组名都表示首元素的地址。

来试试这个代码:

c 复制代码
#include <stdio.h>
int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	printf("&arr[0] = %p\n", &arr[0]);
	printf("arr     = %p\n", arr);
	printf("&arr    = %p\n", &arr);
	return 0;
}

很明显会发现,这三个打印的结果是完全相同的,那 arr 和 &arr 取出的地址有什么区别呢?

c 复制代码
#include <stdio.h>
int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	printf("&arr[0]   = %p\n", &arr[0]);
	printf("&arr[0]+1 = %p\n", &arr[0] + 1);
	printf("arr       = %p\n", arr);
	printf("arr+1     = %p\n", arr + 1);
	printf("&arr      = %p\n", &arr);
	printf("&arr+1    = %p\n", &arr + 1);
	return 0;
}

这里我们发现 &arr[0] 和 &arr[0]+1 相差4 个字节,arr和arr+1相差4 个字节,是因为 &arr[0] 和 arr 都是首元素的地址,+1 就是跳过一个元素

但是 &arr 和 &arr+1相差40个字节,这就是因为 &arr 是数组的地址,+1操作是跳过整个数组的。(关于这里,会在下一篇博客中进行详解)

总结:数组名是数组首元素的地址,但是有2个例外

4. 使用指针访问数组

有了前面知识的支持,再结合数组的特点,我们就可以很方便的使用指针访问数组了。

c 复制代码
#include<stdio.h>
int main()
{
	int arr[5] = { 0 };
	int* p = arr;
	int sz = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);
	for (int i = 0; i < sz; i++)
	{
		//输入
		scanf("%d", p + i);
		//当然也可以使用 arr+i ,或是 &arr[i]
	}
	for (int i = 0; i < sz; i++)
	{
		//输出
		printf("%d ", *(p + i));
		//当然,这里也可以使用其他的表达方式
	}
	return 0;
}

这个代码搞明白后,如果我们再分析一下,数组名 arr 是数组首元素的地址,可以赋值给p,其实数组名 arr 和 p 在这里是等价的。那我们可以使用 arr[i] 可以访问数组的元素,那 p 是否也可以这样访问数组呢?

c 复制代码
#include<stdio.h>
int main()
{
	int arr[5] = { 0 };
	int* p = arr;
	int sz = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);
	for (int i = 0; i < sz; i++)
	{
		//输入
		scanf("%d", p + i);
		//当然也可以使用 arr+i ,或是 &arr[i]
	}
	for (int i = 0; i < sz; i++)
	{
		//输出
		//printf("%d ", *(p + i));
		printf("%d ", p[i]);
		//当然,这里也可以使用其他的表达方式
	}
	return 0;
}

这个代码和上面的代码结果是完全相同的,这也就是说本质上 p[i] 是等价于 * (p+i) 的。

同理arr[i 应该等价于 *(arr+i) ,数组元素的访问在编译器处理的时候,也是转换成首元素的地址+偏移量求出元素的地址,然后解引用来访问的

5. 一维数组传参的本质

数组我们之前也讲过了,数组是可以传递给函数的,这个小节我们讨论一下数组传参的本质。

首先从一个问题开始,我们之前都是在函数外部计算数组的元素个数,那我们可以把数组传给一个函数后,函数内部求数组的元素个数吗?

我们来测试一下:

c 复制代码
#include <stdio.h>
void test(int arr[])
{
	int sz2 = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	printf("sz2 = %d\n", sz2);
}
int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	int sz1 = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	printf("sz1 = %d\n", sz1);
	test(arr);
	return 0;
}

我们发现在函数内部是没有正确获得数组的元素个数。

这就要了解数组传参的本质了,上个小节中讲过:数组名是数组首元素的地址,那么在数组传参的时候,传递的是数组名,也就是说本质上数组传参传递的是数组首元素的地址。

所以函数形参的部分理论上应该使用指针变量来接收首元素的地址。那么在函数内部我们写 sizeof(arr) 计算的是一个地址的大小(单位字节)而不是数组的大小(单位字节)。正是因为函数的参数部分是本质是指针,所以在函数内部是没办法求的数组元素个数的。

补充:

c 复制代码
void test(int arr[])//参数写成数组形式,本质上还是指针
{
	printf("%d\n", sizeof(arr));
}
void test(int* arr)//参数写成指针形式
{
	printf("%d\n", sizeof(arr));//计算⼀个指针变量的⼤⼩
}
int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	test(arr);
	return 0;
}

也就是说:一维数组传参,形参的部分可以写成数组的形式,也可以写成指针的形式。

6. 冒泡排序

冒泡排序是一种排序算法,可以将乱序的数组排序成降序(或升序)。

冒泡排序的核心思想就是:两两相邻的元素进行比较

在比较之后,如果这两个元素的排序不符合最终要求的结果(降序或升序),那就进行交换。

那要比较多少次呢?

在最坏情况下,每次从头到尾遍历一遍数组,可以将一个数字送至它最终的位置上,比如说降序,第一次可以将最小的数字送至最后一位,那么在下一次遍历时,最后一位就不用参与比较了,同时,在遍历了 sz-1 (sz为数组元素个数)次后,最后剩下那个没排序的元素也一定已经在它应该在的位置了。

代码例子:

c 复制代码
#include<stdio.h>
void bubble_sort(int arr[], int sz)//参数接收数组元素个数
{
	for (int i = 0; i < sz - 1; i++)//外部循环,控制遍历次数
	{								//循环 sz-1 次,因为最后一个元素可以不进行排序
		for (int j = 0; j < sz - i - 1; j++)//内层循环,控制每次遍历中循环次数
		{									//循环 sz-i-1 次,是因为每次外层循环会将一个元素
											//送到正确的位置上,这些元素不用再进行排序
 			if (arr[j] > arr[j + 1])//从这里可以看出,这个冒泡排序是是升序的
			{
				int tmp = arr[j];
				arr[j] = arr[j + 1];
				arr[j + 1] = tmp;//交换两个变量
			}
		}
	}
}

int main()
{
	int arr[] = { 3,1,7,5,8,9,0,2,4,6 };
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	bubble_sort(arr, sz);
	for (int i = 0; i < sz; i++)
	{
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	return 0;
}

再想一想,这个算法还有可以优化的地方吗?

如果说在进行了几次排序或是还没进行排序,数组中的元素就已经是有序的了,那后面的排序还需要进行吗?

我们来看优化后的代码:

c 复制代码
void bubble_sort(int arr[], int sz)//参数接收数组元素个数
{
	for (int i = 0; i < sz - 1; i++)
	{
		int flag = 1;//假设这⼀趟已经有序了
		for (int j = 0; j < sz - i - 1; j++)
		{
			if (arr[j] > arr[j + 1])
			{
				flag = 0;//发生交换就说明无序
				int tmp = arr[j];
				arr[j] = arr[j + 1];
				arr[j + 1] = tmp;
			}
		}
		if (flag == 1)//这⼀趟没交换就说明已经有序,后续无需排序了
			break;
	}
}
int main()
{
	int arr[] = { 3,1,7,5,8,9,0,2,4,6 };
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	bubble_sort(arr, sz);
	for (int i = 0; i < sz; i++)
	{
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	return 0;
}

冒泡排序的时间复杂度:O(n),空间复杂度:O(1)

7. 二级指针

指针变量也是变量,是变量就有地址,那指针变量的地址存放在哪里?

那就是 二级指针

比如说这个代码

c 复制代码
#include<stdio.h>
int main()
{
	int a = 10;
	int* pa = &a;
	int** pa = &pa;//二级指针取出指针变量的地址
	return 0;
}

二级指针的运算:

  1. *ppa 通过对 ppa 中的地址进行解引用,这样找到的是 pa,*ppa 其实访问的就是 pa 。
c 复制代码
int b = 20;
*ppa = &b;//等价于 pa = &b;
  1. **ppa 先通过 *ppa 找到 pa ,然后对 pa 进行解引用操作,*pa ,那找到的是 a 。
c 复制代码
** ppa = 30;
//等价于*pa = 30;
//等价于a = 30;

8. 指针数组

指针数组是指针还是数组?

我们类比一下,整型数组,是存放整型的数组,字符数组是存放字符的数组。

那指针数组呢?就是是存放指针的数组


指针数组的每个元素又是地址,可以指向一块区域。

我们来分析一下上面的指针数组为什么写作int * arr[5],我们知道,整形数组写作int arr[5],前面的 int 是什么?自然是数组存放的变量的类型,那指针的类型(以整形指针为例)是 int*,那么指针数组就写作这样了。

9. 指针数组模拟实现二维数组

了解了指针数组,我们不妨来做一个小测试。

我们知道二维数组:

c 复制代码
	int arr[3][5];

这个二维数组有三行五列,那我们只需要一个有3个元素,每个元素指向含有5个元素的数组的指针数组,就可以模拟实现这个二维数组了。

范例:

c 复制代码
#include <stdio.h>
int main()
{
	int arr1[] = { 1,2,3,4,5 };
	int arr2[] = { 2,3,4,5,6 };
	int arr3[] = { 3,4,5,6,7 };
	//数组名是数组⾸元素的地址,类型是int*的,就可以存放在parr数组中
	int* parr[3] = { arr1, arr2, arr3 };
	int i = 0;
	int j = 0;
	for (i = 0; i < 3; i++)
	{
		for (j = 0; j < 5; j++)
		{
			printf("%d ", parr[i][j]);
		}
		printf("\n");
	}
	return 0;
}

parr[i ]是访问 parr 数组的元素,parr[i] 找到的数组元素指向了整型一维数组,parr[i][j] 就是整型一维数组中的元素。

上述的代码模拟出二维数组的效果,实际上并非完全是二维数组,因为每一行并非是连续的。】

谢谢你的阅读,喜欢的话来个点赞收藏评论关注吧!
我会尽快更新完毕指针全系列!(大概为4~5篇博客)

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