深入理解指针（1）

一、内存和地址

（一）内存

首先，我们先举一个生活中的案例：

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，如果一个朋友来找你玩，就得按个房间去找，这样的效率是非常低下的。但是我们如果根据楼层和楼层的房间情况，给每个房间编号，如：A101。

有了房间号，我们就可以迅速地找到每一个房间。

如果把上述的例子对照到计算机中又会怎么样呢？

计算机上的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在内存中，所以我们买电脑的时候，会关注电脑上的内存大小，如：8GB、16GB、32GB等等。那么，内存空间如何高效管理呢？

我们可以吧内存划分为一个个内存单元，每个内存单元的大小取1个字节。

我们知道，一个比特位可以存储一个2进制数字，即0或1。

计算机中常见的单位：

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，每个人就是一个比特位。

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，我们把门牌号也叫做地址，在计算机中我们把内存单元的编号也称为地址。

C语言中，我们给地址起的新名字叫作：指针。

所以我们可以这么理解：

内存单元的编号==地址==指针

（二）究竟该如何理解编址

首先，我们必须理解，计算机内是有很多硬件单元，而硬件单元是要互相协同工作的所谓协同，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相互独立的，那么如何通信呢？

答案就是，用"线"连起来。

CPU和内存之间也是有大量数据交互的，所以二者也必须用线连起来。

不过，我们今天关心一组线，叫作地址总线。

CPU访问内存中某个字节的空间，就必须知道这个字节空间在内存的什么位置，而因为内存中有很多字节，所以需要给内存编址（就如同宿舍很多，需要给宿舍编号）。

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。

就比如，钢琴，古筝等乐器上面并没有写音素的位具体发音位置，但是演奏者照样能准确的找到每一个位置，这是为何？因为制造商在"硬件设计"时，就已经设计好了，并且所有演奏者都知道。

本质就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为机器有32根地址总线，没跟先只有两态，表示0,1【电脉冲的有无】，那么一根线就能表示2种含义，2根线能表示4种含义，32根线就能表示2^32中含义，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，将数据通过数据总线传入CPU内寄存器。

二、指针变量和地址

（一）取地址操作符（&）

理解了内存与地址的关系，我们再回到C语言，在C语言中创建变量其实就是像内存申请空间，比如：

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 520;
	return 0;
}

比如，上述代码就是创建了整型变量a，内存中申请了4个字节，用于存放整数520，其中每个字节都有地址。

那我们如何能得到a的地址呢？

这里就需要用到取地址操作符（&）：

cpp 复制代码

int main()
{
	int a = 520;
	printf("%p\n", &a);
	return 0;
}

我们可以发现，虽然整型变量占用4个字节，但是打印出来的地址却只有第一个。

这是因为&a取出的是a所占4个字节中地址较小的字节的地址。

虽然只取出一个地址，但是我们只要知道了第一个字节地址，顺藤摸瓜访问到4个字节的数据也是可行的。

（二）指针变量和解引用操作符（*）

1.指针变量

我们通过取地址操作符（&）拿到的地址是一个数值，比如0xF006FFD70，这个数值有时候也是需要存储起来，方便后期使用的，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：

cpp 复制代码

int main()
{
	int a = 520;
	int* pa = &a;
	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.如何拆解指针类型

cpp 复制代码

int a = 520;
int* pa = &a;

pa左边写的是int*，我们需要分开来看：

*是在说明pa是一个指针变量；

而int是在说明pa指向的是整形（int）类型的对象。

由此类推，我们可以得到char类型的指针变量：char*。

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C语言中，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（*）。

cpp 复制代码

int main()
{
	int a = 520;
	int* pa = &a;
	*pa = 1314;
	printf("%d", a);
	return 0;
}

上述代码中，*pa的意思就是通过pa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，这个操作符就把a改成了0。

这里，我们不禁回想，那我直接a=0岂不是更简单？为什么非得用指针呢？

指针为我们提供了另外一种修改a的途径，写代码就会更加灵活，慢慢地就能够意识并理解了。

3.指针变量的大小

根据前面内容，我们可以了解到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就是1或者0，那么我们把32根地址线产生的二进制序列当做一个地址，那么地址就是32个比特位，需要4个字节才能存储。

所以，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，如果是64位机器，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。

cpp 复制代码

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(char*));
	printf("%zd\n", sizeof(int*));
	printf("%zd\n", sizeof(short*));
	printf("%zd\n", sizeof(double*));
	return 0;
}

指针变量的大小和类型是无关的，只要是指针类型的变量，在相同的平台下，大小是相同的。

三、指针变量的类型和意义

（一）指针的解引用

对比代码一与代码二，观察调试时二者内存的变化：

cpp 复制代码

//代码一
int main()
{
	int n = 0x11223344;
	int* pn = &n;
	*pn = 0;
	return 0;
}

cpp 复制代码

//代码二
int main()
{
	int n = 0x11223344;
	char* pn = &n;
	*pn = 0;
	return 0;
}

通过调试我们可以看到，代码1会将整型n的4个字节全部改为0，但是代码2只是将字符型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*的指针解引用只能访问一个字节，而int*的指针解引用就能访问四个字节。

（二）指针+-整数

cpp 复制代码

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跳过了四个字节。

这就是指针变量差异带来的变化。指针+1，其实是跳过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）。

（三）void*指针

在指针变量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（或者叫作泛型指针），这种类型的指针可以接收任何类型的地址。但是也有局限性，void*类型的指针不能进行指针的+-整数和解引用运算。

cpp 复制代码

int main()
{
	int a = 10;
	int* pa = &a;
	char* pc = &a;
	return 0;
}

上述代码中，将一个int*类型的变量赋值给一个char*类型的指针变量，编译器会报警告，这是因为类型不兼容。而用void*类型就不会有这样的问题。

cpp 复制代码

int main()
{
	int a = 10;
	int* pa = &a;
	void* pc = &a;
	*pa = 10;
	*pc = 0;
	return 0;
}

这里我们可以看到，void*类型的指针可以接受不同类型的地址，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，用来接收不用类型数据的地址。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。