C语言指针超详解——强化篇

fhvyxyci2024-07-15 17:09

C语言指针系列文章目录

入门篇
强化篇

文章目录

  • 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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