深入了解指针（1）

1. 内存和地址

1.1 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，但是如果我们根据楼层和楼层房间的情况，给每个房间编上号，如：

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一楼:101,102,103...
二楼:101,102,103...
...

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找到计算机中，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，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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bite - 比特位            1Byte = 8bit
Byte - 字节               1KB  = 1024Byte
KB                        1MB  = 1024KB
MB                        1GB  = 1024MB 
GB                        1TB  = 1024GB 
TB                        1PB  = 1024TB 
PB

其实，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，每一个人是一个比特位。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 究竟该如何理解编址

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，至少相互之间要能进行数据传递。

但是硬件和硬件之前是相互独立的，那么如何通信呢？答案和简单，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，叫地址总线。

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中的什么位置，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：哆，啦，咪，发，嗦，啦，西这样的信息，但演奏者照样能够准确的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跟地址总线，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。

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int main()
{
	int a = 20;
	/*变量创建的本质其实是在向内存申请空间
	向内存申请四个字节的空间，用来存放20这个数值
	这四个字节，每个地址都有编号(地址)
	变量的名字仅仅是给程序员看的，编译器不看名字，编译器是通过地址找内存单元的*/

	return 0;

}

2.指针变量和地址

2.1取地址操作符（&）

cs 复制代码

int main()
{
	int a = 20;
	//&a;  //&--取地址操作符，拿到变量a的地址
	printf("%p\n", &a);//拿到的是a变量第一个字节所在地址
	int* pa = &a; //pa是一个变量，这个变量pa是用来存放地址(指针)的，pa叫指针变量
	              //int *是pa的类型   pa是指针变量的名字
	return 0;
}

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: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:

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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。

2.2.2 如何拆解指针类型

我们看到的pa的类型是int*，我们该如何理解指针的类型呢？

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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。

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（*）。

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

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.

有同学肯定在想，这里如果目的就是把a改成0的话舌，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

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。

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，只要是指针类型的变量，在相同的平台下，大小都是相同的

3.指针变量类型的意义

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？

3.1 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。

cs 复制代码

int main()
{

	int a = 0x11223344;
	int* pa = &a;
	*pa = 0;

	return 0;

}

cs 复制代码

int main()
{

	int a = 0x11223344;
	char* pa =  (char*)&a;
	*pa = 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1个字节，而int*的指针解引用就能访问4个字节。

3.2 指针+-整数

先看一段代码，调试观察地址的变化。

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int main()
{
	int n = 10;
	char* pc = (char*)&n;
	int* pi = &n;

	printf("&n=%p\n", &n);
	printf("&pc=%p\n", pc);
	printf("&pi=%p\n", pi);

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

代码运行结果如下：

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，其实就是跳过1个指针指向的元素，同理指针可以+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）。

3.3 void*指针

在指针类型中又一种特殊的类型是void*类型，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：

cs 复制代码

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：

cs 复制代码

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

	*pa = 10;
	*pc = 0;
	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？

一般void*类型的指针是使用在函数参数部分，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，在后面的学习中我们会讲解。

4.const修饰指针

4.1 const修饰指针变量

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，该怎么做？这就是const的作用。

cs 复制代码

int main()
{
	int a = 10;
	a = 20;  //a是可以修改的
	const int b = 5;
	b = 15;  //b是不能被修改的
	return 0;
}

上述代码中b是不能被修改的，其实b本质是变量，不过被const修饰后，在语法上加了限制，只要我们在代码中对b进行修改，就不符合语法规则，就会报错，致使没办法直接修改b。

但是我们绕过b，使用b的地址，去修改b就能做到了，虽然这样是在打破语法规则。

cs 复制代码

int main()
{
	const int b = 5;
	printf("b = %d\n", b);
	int* pb = &b;
	*pb = 15;
	printf("b = %d\n", b);
	return 0;
}

输出的结果应该 b = 5和b = 15，我们可以知道b确实被修改了，但是我们还是要思考一下，为什么b要被const修饰呢？就是为了不能被修改，如果p拿到b的地址就能修改b，这样就打破了const的限制，这样是不合理的，所以应该让p拿到b的地址也不能修改b，那该怎么做呢？

4.2 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。

cs 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*的左边做修饰

我们看下面的代码，来具体分析一下。

cs 复制代码

void test1()
{
	int n = 10;
	int m = 20;
	int* p = &n;
	*p = 20;  // ok?
	 p = &m;  // ok?
}
void test2()
{
	int n = 10;
	int m = 20;
	const int* p = &n;
	*p = 20;  // ok?
	p = &m;   // ok?
}
void test3()
{
	int n = 10;
	int m = 20;
	 int* const p = &n;
	*p = 20;  // ok?
	p = &m;   // ok?
}
void test4()
{
	int n = 10;
	int m = 20;
	const int* 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*左边的情况
	test2();
	//测试const放在*右边的情况
	test3();
	//测试*左右两边都有const的情况
	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，保证指针变量的内容不能改变。但是指针指向的内容，可以通过指针改变。

5. 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

5.1 指针+-整数

因为在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。

cs 复制代码

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

cs 复制代码

int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	int i = 0;
	int* p = &arr[0];
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	for (i = 0; i < sz; i++)
	{
		printf("%d ",*(p+i));
	}
	return 0;

}

5.2 指针-指针

指针-指针的绝对值是指针和指针之间元素的个数。

指针-指针，计算的前提条件是两个指针指向的是同一个空间。

5.3 指针的关系运算

cs 复制代码

int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	int i = 0;
	int* p = &arr[0];
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	while (p < &arr[sz]) //地址大小的比较
	{
		printf("%d ", *p);
		p++;
	}
	return 0;
}

6. 野指针

概念：野指针就是指针指向的位置不可知的（随机的，不正确的，没有明确限制的）

6.1 野指针成因

1.指针未初始化

cs 复制代码

int main()
{
	int* p;// 局部变量指针未初始化，默认为随机值
	*p = 20;
	return 0;
}

2.指针越界访问

cs 复制代码

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;
}

指针指向的空间释放

cs 复制代码

int* test()
{
	int n = 100;
	return &n;
}

int main()
{
	int* p = test();
	printf("%d\n", *p);
	return 0;
}

n是局部变量，进入函数创建，出函数销毁。所以造成非法访问。

6.2 如何规避野指针

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。

初始化如下：

cs 复制代码

int main()
{
	int n = 10;
	int* p1 = &n;
	int* p2 = NULL;
	return 0;
}

6.2.2 小心指针越界

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。

6.2.3 指针变量不再使用时，及时置为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。

cs 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;
		 p++;
	}
	//此时p已经越界了，可以把p置为NULL
	p = NULL;
	//下次使用，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
	{
		for (int j = 0; j < 10; j++)
		{
			printf("%d ", arr[j]);
		}
	}
	return 0;
}

6.2.4 避免返回局部变量的地址

如6.1野指针成因里的第三个例子，不要返回局部变量的地址。

7.assert断言

assert.h头文件中定义了宏assert（），用于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"**

cs 复制代码

#include<assert.h>
int main()
{
	int* p = NULL;
	assert(p != NULL); //表达式为真，什么都不发生，表达式为假，报错终止运行。
	 /*if(p!=NULL)
	{
		 *p = 20;
	}*/
	return 0;
}

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 <assert.h〉语句的前面，定义一个宏NDEBUG.

cs 复制代码

#define NDEBUG
#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版本不影响用户使用时程序的效率。

8. 指针的使用和传址调用

8.1 strlen的模拟实现

库函数strlen的功能是求字符串的长度，统计的是字符串中\0之前的字符的个数。

函数原型如下：

cs 复制代码

size_t strlen(const char* str);

参数str接收一个字符串的起始地址，然后开始计算字符串中\0之前的字符个数，最终返回长度。

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。

参考代码如下：

cs 复制代码

#include<assert.h>
int my_strlen(const char* str)
{
	int count = 0;
	assert(str);
	while (*str)
	{
		count++;
		str++;
	}
	return count;
}
int main()
{
	int len = my_strlen("abcdef");
	printf("%d\n", len);
	return 0;
}

8.2 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：我们写一个函数，交换两个整型变量的值我们可能写出这样的代码

cs 复制代码

void swap(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", a, b);
	swap(a, b); //传值调用
	printf("交换后a=%d b=%d", a, b);
	return 0;
}

当代码运行之后发现并没有产生交换的效果，这是为什么？

因为x，y是形参，a和b是实参，当实参传递给形参的时候，形参是实参的一份临时拷贝，对形参的修改不会影响到实参。a和x的地址不同 b和y的地址也不同，修改的只是x，y的值，并不能修改a，b的值。

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函数的内部操作就是main函数中的a和b，直接将a和b的值交换了，在main函数中将a和b的地址传递给swap函数，swap函数里通过地址间接操作main函数a和b，并完成交换的效果。

cs 复制代码

void swap(int*pa, int*pb)
{
	int z = 0;
	z = *pa;
	*pa = *pb;
	*pb = z;
}

int main()
{
	int a = 0;
	int b = 0;
	scanf("%d %d", &a, &b);
	printf("交换前a=%d b=%d", a, b);
	swap(&a, &b);//传址调用
	printf("交换后a=%d b=%d", a, b);
	return 0;
}

这里调用swap函数的时候是将变量的地址传给了函数，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；

所以未来函数中只要是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。

以上就是对深入了解指针（1）的详细介绍制作不易喜欢的朋友记得点赞评论收藏哦！！！