【C语言篇】深入理解指针1

Trouvaille ~2024-08-11 14:35

文章目录

内存和地址

内存

在讲内存和地址之前，先看一个⽣活中的案例：

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，如：

c 复制代码 
//⼀楼：101，102，103...
//⼆楼：201，202，203...
//...

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。

⽣活中，每个房间有了房间号，就能提⾼效率，能快速的找到房间。

如果把上⾯的例⼦对照到计算机中，⼜是怎么样呢？

我们知道计算机上 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。

计算机中常⻅的单位：

c 复制代码 
bit - ⽐特位
Byte - 字节
KB
MB
GB
TB
PB
    
1Byte = 8bit
1KB = 1024Byte
1MB = 1024KB
1GB = 1024MB
1TB = 1024GB
1PB = 1024TB

其中，每个内存单元，相当于⼀个学⽣宿舍，⼀ 个字节空间⾥⾯能放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⻔牌号），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。

⽣活中我们把⻔牌号也叫地址，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。

内存单元的编号 == 地址 == 指针

编址

CPU访问内存中的某个字节空间，必须知道这个 字节空间在内存的什么位置，⽽因为内存中字节 很多，所以需要给内存进⾏编址(就如同宿舍很 多，需要给宿舍编号⼀样)。

计算机中的编址，并不是把每个字节的地址记录下来，⽽是通过硬件设计完成的

CPU和内存之间有⼀组线，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。 地址信息被下达给内存，在内存上，就可以找到该地址对应的数据，将数据再通过数据总线传⼊ CPU内寄存器。

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：

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：

c 复制代码 
0x006FFD70
0x006FFD71
0x006FFD72
0x006FFD73

使用&操作符得到a的地址

c 复制代码 
#include <stdio.h>
int main()
{
    int a = 10;
    &a;//取出a的地址 
    printf("%p\n", &a);
    return 0;
}

按照画图的例⼦，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个字节的数据就是可行的了。

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。

c 复制代码 
#include <stdio.h>
int main()
{
    int a = 10;
    int * pa = &a;//取出a的地址并存储到指针变量pa中 
    return 0;
}

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。

指针变量类型

c 复制代码 
int a = 10;
int * pa = &a;

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。

要存储什么类型的对象的地址，指针变量类型就是：对象类型+*

解引用操作符

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，这⾥使用的⼀个操作符叫解引⽤操作符(*)。

c 复制代码 
#include <stdio.h>
int main()
{
    int a = 100;
    int* pa = &a;
    *pa = 0;
    return 0;
}

上⾯代码中第6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。

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。

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。

c 复制代码 
#include <stdio.h>
//指针变量的⼤⼩取决于地址的⼤⼩ 
//32位平台下地址是32个bit位（即4个字节） 
//64位平台下地址是64个bit位（即8个字节） 
int main()
{
    printf("%zd\n", sizeof(char *));
    printf("%zd\n", sizeof(short *));
    printf("%zd\n", sizeof(int *));
    printf("%zd\n", sizeof(double *));
    return 0;
}

结论：

  • 32位平台下地址是32个bit位，指针变量⼤⼩是4个字节
  • 64位平台下地址是64个bit位，指针变量⼤⼩是8个字节
  • 注意指针变量的⼤⼩和类型是⽆关的，只要指针类型的变量，在相同的平台下，⼤⼩都是相同的

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，接下来继续介绍。

指针的解引用

c 复制代码 
//代码1 
#include <stdio.h>
int main()
{
    int n = 0x11223344;
    int *pi = &n; 
    *pi = 0; 
    return 0;
}

//代码2 
#include <stdio.h>
int main()
{
    int n = 0x11223344;
    char *pc = (char *)&n;
    *pc = 0;
    return 0;
}

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

c 复制代码 
#include <stdio.h>
int main()
{
    int n = 10;
    char *pc = (char*)&n;
    int *pi = &n;

    printf("%p\n", &n);
    printf("%p\n", pc);
    printf("%p\n", pc+1);
    printf("%p\n", pi);
    printf("%p\n", pi+1);
    return 0;
}

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。指针+1，其实跳过1个指针指向的元素。指针可以+1，那也可以-1。

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。

c 复制代码 
#include <stdio.h>
int main()
{
    int a = 10;
    void* pa = &a;
    *pa = 10;
    return 0;
}

VS编译代码的结果：

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，在之后博客中会讲解。

const修饰指针

const修饰指针变量，可以放在*的左边，也可以放在*的右边，意义是不⼀样的。

c 复制代码 
int * p;//没有const修饰？ 
int const * p;//const 放在*的左边做修饰 
int * const p;//const 放在*的右边做修饰

我们看下⾯代码，来分析具体分析⼀下：

c 复制代码 
#include <stdio.h>
//代码1 - 测试⽆const修饰的情况 
void test1()
{
    int n = 10;
    int m = 20;
    int *p = &n;
    *p = 20;//ok?
    p = &m; //ok?
}
//代码2 - 测试const放在*的左边情况 
void test2()
{
    int n = 10;
    int m = 20;
    const int* p = &n;
    *p = 20;//ok?
    p = &m; //ok?
}
//代码3 - 测试const放在*的右边情况 
void test3()
{
    int n = 10;
    int m = 20;
    int * const p = &n;
    *p = 20; //ok？
    p = &m; //ok？
}
//代码4 - 测试*的左右两边都有const 
void test4()
{
    int n = 10;
    int m = 20;
    int const * const p = &n;
    *p = 20; //ok?
    p = &m; //ok?
}
int main()
{
    //测试⽆const修饰的情况 
    test1();
    //测试const放在*的左边情况 
    test2();
    //测试const放在*的右边情况 
    test3();
    //测试*的左右两边都有const 
    test4();
    return 0;
}

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

指针的基本运算有三种，分别是：

  • 指针±整数
  • 指针-指针
  • 指针的关系运算

指针±整数

因为数组在内存中是连续存放的，只要知道第⼀个元素的地址，顺藤摸⽠就能找到后⾯的所有元素。

c 复制代码 
#include <stdio.h>
//指针+- 整数 
int main()
{
    int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
    int *p = &arr[0];
    int i = 0;
    int sz = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);
    for(i=0; i<sz; i++)
    {
        printf("%d ", *(p+i));//p+i 这⾥就是指针+整数 
    }
    return 0;
}

指针-指针

c 复制代码 
//指针-指针 
#include <stdio.h>
int my_strlen(char *s)
{
    char *p = s;
    while(*p != '\0' )
        p++;
    return p-s;
}
int main()
{
    printf("%d\n", my_strlen("abc"));
    return 0;
}
  • 必须是同一块内存空间

指针的关系运算

c 复制代码 
//指针的关系运算 
#include <stdio.h>
int main()
{
    int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
    int *p = &arr[0];
    int sz = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);
    while(p<arr+sz) //指针的⼤⼩⽐较 
    {
        printf("%d ", *p);
        p++;
    }
    return 0;
}
  • 指针是地址，说白了就是一组二进制数（为了方便显示的用的是十六进制），那是数就会有大小，即低地址高地址

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
c 复制代码 
#include <stdio.h>
int main()
{ 
    int *p;//局部变量指针未初始化，默认为随机值 
    *p = 20;
    return 0;
}
  1. 指针越界访问
c 复制代码 
#include <stdio.h>
int main()
{
    int arr[10] = {0};
    int *p = &arr[0];
    int i = 0;
    for(i=0; i<=11; i++)
    {
        //当指针指向的范围超出数组arr的范围时，p就是野指针 
        *(p++) = i;
    }
    return 0;
}
  1. 指针指向的空间释放
c 复制代码 
#include <stdio.h>
int* test()
{
    int n = 100;
    return &n;//函数栈帧使用完销毁
}
int main()
{
    int*p = test();//但p还能找到这块空间
    printf("%d\n", *p);
    return 0;
}

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

c 复制代码 
#include <stdio.h>
int main()
{
    int num = 10;
    int*p1 = &num;
    int*p2 = NULL;
    return 0;
}
  1. 注意指针越界

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。

  1. 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。

c 复制代码 
int main()
{
    int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
    int *p = &arr[0];
    int i = 0;
    for(i=0; i<10; i++)
    {
        *(p++) = i;
    }
    //此时p已经越界了，可以把p置为NULL 
    p = NULL;
    //下次使⽤的时候，判断p不为NULL的时候再使⽤ 
    //...
    p = &arr[0];//重新让p获得地址 
    if(p != NULL) //判断 
    {
        //...
    }
    return 0;
}
  1. 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"。

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 语句的前⾯，定义⼀个宏 NDEBUG 。

c 复制代码 
#define NDEBUG//关闭assert宏
#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 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 版本不影响⽤⼾使⽤时程序的效率。>

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？

例如：写⼀个函数，交换两个整型变量的值

⼀番思考后，我们可能写出这样的代码：

c 复制代码 
#include <stdio.h>
void Swap1(int x, int y)
{
    int tmp = x;
    x = y;
    y = tmp;
}
int main()
{
    int a = 0;
    int b = 0;
    scanf("%d %d", &a, &b);
    printf("交换前：a=%d b=%d\n", a, b);
    Swap1(a, b);
    printf("交换后：a=%d b=%d\n", a, b);
    return 0;
}

结果如下：

我们发现其实没产⽣交换的效果，这是为什么呢？

在<>中我们就介绍到，形参是实参的一份临时拷贝，改变形参不影响实参，这种调用方式叫做传值调用，是不能实现我们上述要求的。

所以我们需要使用指针进行传址调用

c 复制代码 
#include <stdio.h>
void Swap2(int*px, int*py)
{
    int tmp = 0;
    tmp = *px;
    *px = *py;
    *py = tmp;
}
int main()
{
    int a = 0;
    int b = 0;
    scanf("%d %d", &a, &b);
    printf("交换前：a=%d b=%d\n", a, b);
    Swap2(&a, &b);
    printf("交换后：a=%d b=%d\n", a, b);
    return 0;
}

结论：

传址调⽤，可以让被调函数和主调函数之间建⽴真正的联系，在被调函数内部可以修改主调函数中的变量；

所以当被调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。

写在最后

C语言指针是一个重头戏，关于指针的内容会有4-5篇博客，敬请期待喔💕

以上就是关于深入理解指针1的内容啦，各位大佬有什么问题欢迎在评论区指正，您的支持是我创作的最大动力！❤️

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