C语言学习 12（指针学习1）

一.内存和地址

1.内存
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，如：

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（补充）：
⼀个⽐特位可以存储⼀个2进制的位1或者0

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。
所以我们可以理解为：内存单元的编号 == 地址 == 指针

实际电脑存储的时候，应该是下面的内存大，上面的内存小。 （由小内存向大内存存储）
2.如何理解内存的存储

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。
钢琴、吉他 上⾯没有写上"do、ri、mi、fa、so、la、xi"这样的信息，但演奏者照样能够准确找到每⼀个琴弦的每⼀个位置，这是为何？因为制造商已经在乐器硬件层⾯上设计好了，并且所有的演奏者都知道。本质是⼀种约定出来的共识！
硬件编址也是如此我们可以简单理解，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,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，将数据在通过数据总线传⼊
CPU内寄存器。
⾸先，必须理解，计算机内是有很多的硬件单元，⽽硬件单元是要互相协同⼯作的。所谓的协同，⾄少相互之间要能够进⾏数据传递。但是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。
二.指针变量和地址
1.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：

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

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 10;
	&a;
	printf("%p\n", &a);
	return 0;
}

• 每运行一次，存储的地址就会发生一次改变。

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（内存的存储是连续的，在同一个变量下），顺藤摸⽠访问到4个字节的数据也是可⾏的。
2.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 。
比如：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 10;
	int* pa = &a; //取出a的地址，存入指针变量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（所以在输入的时候，就可以不用再加&）。
3.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？

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。

那如果有⼀个char类型的变量ch，ch的地址，要放在什么类型的指针变量中呢？

char ch = 'A';
char* pc = &ch; 

4.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(*)。

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 10;
	int* pa = &a;
	*pa = 0;
	printf("%d", a);
	return 0;
}

打印结果：

上⾯代码中第5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.
有人肯定在想，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。
5.指针变量的大小
前⾯的内容我们了解到，32位（bit）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(bit)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。

#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(int*));
	printf("%zd\n", sizeof(short*));
	printf("%zd\n", sizeof(double*));
	printf("%zd\n", sizeof(char*));
	printf("%zd\n", sizeof(float*));
	return 0;
}

x64环境（16进制）打印：

x86环境（8进制）打印：

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。
三.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。
1.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。
代码一：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 0x11223344;
	int* pa = &a;
	*pa = 0;
	return 0;
}

第一段代码的内存改变的情况：

代码二：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 0x11223344;
	char* pa = &a;
	*pa = 0;
	return 0;
}

第二段代码内存改变情况：

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。
2.指针+-整数
先看⼀段代码，调试观察地址的变化。

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 10;
	int* pa = &a;
	char* pc = &a;
	printf("%p\n", &a);
	printf("%p\n", pa);
	printf("%p\n", pc);
	printf("%p\n", pa + 1);
	printf("%p\n", pc + 1);
	return 0;
}

打印结果：

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。
提醒：上面那个代码编译时会报警告，因为a是int类型，最好不要用其它指针类型（char*等）。
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，跳过多少个元素）。
3.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。
举例：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 10;
	int* pa = &a;
	char* pc = &a;
	return 0;
}

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：

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

VS2022编译结果：

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。
四.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

1.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。

int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};

#include <stdio.h>
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));
	}
	return 0;
}

也可以将数组里的数全改为0；

#include <stdio.h>
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++)
	{
		*(p + i) = 0;
	}
	for (i = 0; i < sz; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	return 0;
}

当然也可以自己输入，但输入的时候就不用加&了。

反过来打印：

这里我直接用arr打印了，当然也可以用指针，但应该给一个 向后移动的指针变量。

#include <stdio.h>
int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	int i = 0;
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	int* p = &arr[sz - 1];
	for (i = 0; i < sz; i++)
	{
		*p = i + 1;
		p--;  //指针向前遍历
	}
	for (i = 0; i < sz; i++)
	{
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	return 0;
}

2.指针-指针

#include <stdio.h>
int main()
{
	int arr[10] = { 0 };
	int n = &arr[9] - &arr[0];
	printf("%d", n);
	return 0;
}

打印结果：

也许你会疑惑为什么不是9*4=36，因为指针-指针求的是两者之间的 元素个数（而不是字节数）。
引子：

可以自己写一个函数来实现strlen的作用。

#include <stdio.h>

size_t my_strlen(char* str)
{
	int count = 0;
	while (*str != '\0')
	{
		str++;
		count++;
	}
}
int main()
{
	char arr[] = "abcdef";
	size_t len = my_strlen(arr);
	printf("%zd", len);
	return 0;
}

指针-指针形式：

#include <stdio.h>
size_t my_strlen(char* str)
{
	char* start = str;
	while (str != '\0')
	{
		str++;
	}
	return str - start;
}

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

3.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)
	{
		printf("%d ", *p);
		p++;
	}
	return 0;
}