深入理解指针（1）

内存和地址

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

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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。计算机中常见的单位（补充）：⼀个比特位可以存储⼀个2进制的位1或者0

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1Byte=8bit
1Kb=1024Byte
1Mb=1024Kb
1Gb=1024Mb
1Tb=1024Gb
1Pa=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语言中给地址起了一个新名字叫做"指针"，所以我们可以理解为：内存单元的编号==地址==指针

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"剁、来、咪、发、唆、拉、西"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

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，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，将数据在通过数据总线传入 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

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#include<stdio.h>
int main()
{
	int a = 10;
	return 0;
}

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（不一定从0x000000EFD6BFFBD1开始）

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

编译器和平台不同会有不同的结果，但逻辑是这样的，一个整型占用4个字节

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

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#include<stdio.h>
int main()
{
	int a = 10;
	int* p = &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

如何拆解指针类型

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int a = 10;
int* p = &a;

这里可以看到p前面有一个int*,，这需要分开理解，"*"表示p是一个指针变量，而int表示p指向的指针类型为整型

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？

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char ch = 10;
 *p = &a;

当然p这个指针变量也是char类型

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(*)

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#include<stdio.h>
int main()
{
	int a = 10;
	int* pa = &a;
	*pa = 20;
	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=20，这个操作符是把a改成了20. 有同学肯定在想，这里如果目的就是把a改成20的话，写成 a =20; 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

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。如果指针变量是用来存放地址的，那么指针变的大小就得是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

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#include<stdio.h>
int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(int*));
	printf("%zd\n", sizeof(char*));
	printf("%zd\n", sizeof(short*));
	printf("%zd\n", sizeof(float*));
	return 0;
}

左边的是64位环境就需要8个字节，右边的是86位环境就需要4个字节，可以自己在电脑上感受一下，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。

指针类型变量的意义

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，看接下来的两段代码

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

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

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。

指针加减整数

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#include <stdio.h>
int main()
{
	int n = 10;
	char* pc = (char*)&n;
	int* pi = &n;
	printf("&n=%p\n", &n);
	printf("pc=%p\n", pc);
	printf("pc+1=%p\n", pc + 1);
	printf("pi=%p\n", pi);
	printf("pi+1=%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*的指针不能指针的加减运算和解引用操作

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#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

此时可以看到*pa和*pc有红色波浪，这就是语法错误，不能使用void*类型的指针解引用

const修饰指针

const修饰变量

变量是可以修改的，如果把变量的地址交给⼀个指针变量，通过指针变量的也可以修改这个变量。但是如果我们希望⼀个变量加上⼀些限制，不能被修改，怎么做呢？这就是const的作用

上述代码中n是不能被修改的，其实n本质是变量，只不过被const修饰后，在语法上加了限制，只要我们在代码中对n就行修改，就不符合语法规则，就报错，致使没法直接修改n，但是如果我们绕过n，使用n的地址，去修改n就能做到了，虽然这样做是在打破语法规则。

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

我们可以看到这里⼀个确实修改了，但是我们还是要思考⼀下，为什么n要被const修饰呢？就是为了不能被修改，如果p拿到n的地址就能修改n，这样就打破了const的限制，这是不合理的，所以应该让 p拿到n的地址也不能修改n，那接下来怎么做呢？

const修饰指针变量

⼀般来讲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

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 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

我们来看以下代码

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#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;
	p = &m; 
}
//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;
}

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。

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#include <stdio.h>
//指针+ -整数数组元素和下标
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;
}

p里面存放的是数组首元素的地址，计算数组大小后遍历数组的个数，*(p + i)中的p始终没有发生改变，i每次加1后都会解引用就找了对应的数据

指针-指针

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#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;
}

return p-s;就是将后面的指针减去前面的指针，得到个数

指针的运算关系

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#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;
}

野指针

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

指针未初始化

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#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;
}

指针越界访问

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#include <stdio.h>
int main()
{
	int arr[10] = { 0 };
	int* p = &arr[0];
	int i = 0;
	for (i = 0; i <= 11; i++)//总空间只有10个，但是循环次数大于10次
	{
		*(p++) = i;
	}
	return 0;
}

指针指向的空间被释放

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#include <stdio.h>
int* test()
{
	int n = 100;
	return &n;
}
int main()
{
	int* p = test();
	printf("%d\n", *p);
	return 0;
}

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。

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assert(p!=NULL);

上面代码在程序运行到这一语句时,验证变量p是否等于空指针，如果确定不等于空指针，程序继续运行，否则就会终止运行，并给出报错信息提示

assert()宏接受一个表达式作为参数，如果该表达式为真,assert()不会产生任何作用，程序继续运行，如果表达式为假就会报错，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，使用assert()有几个好处，它不仅能自动标识文件和出问题的房号，还有一种无需更改代码就能开启或关闭assert()的机制，如果已经确定程序没有问题，不需要再做断言，就在#include<assert.h>语句前定一个宏NDEBUG

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 #define NDEBUG
 #include <assert.h>

然后重新编译程序，编译器就会禁止文件里所有的assert()语句,如果程序又出现了问题,可以移除#define NDEBUG这条指令,再次编译，这样就可以重启assert()

assert()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

指针的使用和传值调用

strlen的模拟实现

库函数strlen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

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 size_t strlen ( const char * str );

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，最终返回⻓度。

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

复制代码

#include<assert.h>
int my_strlen(const char* str)
{
	int count = 0;
	assert(str);
	while (*str)
	{
		count++;
		str++;
	}
	return count;
}
#include<stdio.h>

int main()
{
	int len = my_strlen("abcdef");
	printf("%d\n", len);
	return 0;
}

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，那什么问题只能用指针解决了？

写一个函数交换两个整数变量的值

复制代码

#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#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("a = % d b = % d\n", a, b);
	Swap1(a, b);
	printf("a = % d b = % d\n", a, b);
	return 0;
}

我们发现没有产生交换的效果，这是为什么？调试一下

我们发现在main函数内部，创建了a和b，a的地址是0x000000e77ccff9e4，b的地址是0x00000077ccffa04，在调用Swap1函数时，将a和b传递给了Swap1函数，在Swap1函数内部创建了形参x和y接收a和b的值，但是x的地址是0x000000e77ccff9c0，y的地址是0x000000e77ccff9c8，x和y确实接收到了a和b的值，不过x的地址和a的地址不

⼀样，y的地址和b的地址不⼀样，相当于x和y是独立的空间，那么在Swap1函数内部交换x和y的值，自然不会影响a和b，当Swap1函数调用结束后回到main函数，a和b的没法交换。Swap1函数在使用的时候，是把变量本身直接传递给了函数，这种调用函数的方式我们之前在函数的时候就知道了，这种叫传值调用。

结论：实参传递给形参的时候，形参会单独创建⼀份临时空间来接收实参，对形参的修改不影响实

参，所以Swap1是失败的了。

那怎么办呢？

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

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#define  _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <stdio.h>
void Swap2(int* px, int* py)
{
	int tmp = 0;
	tmp = *px;
	*px = *py;
	*py = tmp;
}
#include<stdio.h>
int main()
{
	int a = 0;
	int b = 0;
	scanf("%d %d", &a, &b);
	printf("a = % d b = % d\n", a, b);
	Swap2(&a, &b);
	printf("a = % d b = % d\n", a, b);
	return 0;
}

我们可以看到实现成Swap2的⽅式，顺利完成了任务，这⾥调⽤Swap2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。如果函数内部修改主调函数中的变量的值，就需要传址调用。