深入理解指针Part1——C语言

"指针是C语言的精髓!"

------出自学校教《C语言程序设计》的老师

1 内存和地址

1.1 内存

为了理解指针,首先要从内存和地址讲起。

在讲之前,先举一个现实世界中的例子。大学宿舍都有门牌号,当需要找到某个学生时,我们只需要知道宿舍的门牌号就可以了。

在计算机中内存很重要,程序经常需要从内存中读取和写入数据。在购买电脑的时候,内存的大小常有8/16/32GB等,这些空间又是如何被管理的?

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是1字节(byte)。

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

1.2 如何理解编址

CPU与内存之间有大量的数据交互,这些交互通过地址总线、数据总线、控制总线等,我们这里关注的是地址总线。这里可以简单理解,32位机器上有32根地址总线,每根线有0、1两种状态,能表示2^32种含义,每一种含义都代表了1个地址。CPU通过地址总线获取到了内存地址后,就可以通过其他总线对内存进行操作。

2 指针变量和地址

2.1 取地址操作符(&)

理解了内存和地址的关系,回到C语言中,创建变量其实就是向内存申请空间。例如int a = 10,就是创建了整形变量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。

那我们如何得到a的地址呢?这就需要用到取地址操作符(&)。

c 复制代码
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
//打印整形变量a的地址
//环境为x64
int main()
{
	int a = 10;
	printf("a的地址是:%p\n", &a);
	return 0;
}

如图,&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个字节的数据是完全可行的。

2.2 指针变量和解引用操作符(*)

2.2.1 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:0000009E504FFC84,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?答案就是:指针变量中。

比如:

c 复制代码
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
//环境为x64
int main()
{
	int a = 10;
	int* pa = &a;//取出a的地址并存储到指针变量pa中
	printf("a的地址是:%p\n", pa);
	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。

2.2.2 拆解指针类型

我们看到指针变量pa的类型是int* ,该如何理解指针的类型呢?

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。

那如果有一个char类型的变量chch的地址,要放在什么类型的指针变量中呢?自然是放在char*类型的指针变量中。

2.2.3 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(*)。

c 复制代码
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
//环境为x64
int main()
{
	int a = 10;
	int* pa = &a;
	printf("修改前:a = %d\n", a);
	*pa = 5;
	printf("修改后:a = %d\n", a);
	return 0;
}

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。

2.3 指针变量的大小

1.2中提到:

在32位机器上有32根地址总线,每根线有0、1两种状态,能表示2^32种含义。

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。

通过原理可以得知,指针变量的大小与其类型无关,只要指针类型的变量在相同的平台下,大小都是相同的。

3 指针变量类型的意义

既然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。接下来的内容我们将在下一篇文章中探讨。


正文完

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