C语言——指针（1）

一. 内存和地址

1. 内存

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。

计算机常见的单位：（⼀个⽐特位可以存储⼀个2进制的位1或者0）

1Byte = 8bit

1KB = 1024Byte

1MB = 1024KB

1GB = 1024MB

1TB = 1024GB

1PB = 1024TB

其中，每个内存大小为1字节，每个字节空间中能放8个比特位。每个内存单元也都有⼀个编号，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。我们把内存单元的编号称为地址，C语言中叫做指针。

2. 如何理解编址（可以先粗略了解，在计算机组成原理中会详细解释）

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。

⾸先，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。

二. 指针变量和地址

1. 取地址操作符（&）

在C语言中，创建变量其实就是向内存申请空间。例如：

#include<stdio.h>

int main()
{
	int a = 20;


	return 0;
}

（注:在内存中存放的是16进制数，一个数字占4个字节）

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20，其中每个字节都有地址，上图中4个字节的地址分别是：

0x0000008d888FFD14

0x0000008d888FFD15

0x0000008d888FFD15

0x0000008d888FFD17

我们可以通过取地址操作符（&）得到a的地址

#include<stdio.h>
int main()
{
int a=20;

printf("%p\n",&a);
return 0;
}

整型变量int占有4个字节的地址，&a取出的是4个字节中最小的那个地址（0x0000008d888FFD14），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。

2. 指针变量和解引用操作符（*）

2.1 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0x0000008d888FFD14。这个数值有时候也是需要存储起来，⽅便后期再使⽤的，我们把这样的地址值存放在指针变量中。

#include <stdio.h>
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 如何理解指针类型

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;

pa左边写的是int* ，* 说明pa是指针变量，而前面的int是在说明pa指向的是整型类型（int）的对象。

2.3 解引用操作符

我们将地址保存起来是要使用的，我而我们只要拿到了地址（指针），就可以通过地址（指针）找到其指向的对象，这时，我们就会用到解引用操作符（*）。

#include<stdio.h>
int main()
{
 int a = 100;
 int* pa = &a;
 *pa = 0;
 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。

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，

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

在不同环境下的输出结果如下：

                 X64环境输出结果                                                  X86环境输出结果

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。

3. 指针变量类型的意义

3.1 指针的解引用

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

调试结果：

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

调试结果：

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。

3.2 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 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;
}

调试结果：

由上可以看出，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）。

3.3 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。

#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 = 10;
 *pc = 0;
 return 0;
}

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。

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。

4. const 修饰指针

4.1 const修饰变量

变量是可以修改的，但如果我们在变量上加一个const限制，那么它就不能被修改

#include <stdio.h>
int main()
{
 int m = 0;
 m = 20;//m是可以修改的 
 const int n = 0;
 n = 8;//n是不能被修改的 
 return 0;
}

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。

#include<stdoio.h>
int main()
{
 const int n = 0;
 printf("n = %d\n", n);
 int*p = &n;
 *p = 20;
 printf("n = %d\n", n);
 return 0;
}

运行结果：

n=0

n=20

我们可以看到n确实被修改了，但是我们用const修饰n的初衷就是希望n的值不被改变，如果p拿到了n的地址就能修改n，这就打破了const的限制，所以，应该让p拿到n的地址也不能修改n。

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。

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 

我们通过下面的代码进行分析：

#include <stdio.h>
//代码1 - 测试⽆const修饰的情况 
int main()
{
 int n = 1;
 int m = 2;
 int *p = &n;
 *p = 2;
 p = &m; 
return 0;
}

//代码2 - 测试测试const放在*的左边情况
//const放在 * 左边限制的是*p,*p指向的内容不能被修改,但是指针变量本⾝的内容可变
int main()
{
 int n = 1;
 int m = 2;
 int const * p = &n;
 // 也可写成 const int * p =&n;
 *p = 2;
 p = &m; 

return 0;
}

//代码3 - 测试测试const放在*的右边情况
//const放在 * 右边限制的是p，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。
int main()
{
 int n = 1;
 int m = 2;
 int * const p = &n;
 *p = 2;
 p = &m; 

return 0;
}

//代码3 - 测试测试左右两边都有const
//两个都被限制
int main()
{
 int n = 1;
 int m = 2;
 int const * const p = &n;
 *p = 2;
 p = &m; 

return 0;
}

结论：

• 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。

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

因为数组在内存中是连续存放的，只要知道第⼀个元素的地址，就能按顺序找到后面所有元素

//指针类型决定了指针+1的步长，决定了指针解引用的权限
//数组在内存中是连续存放的

#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));//p+i 这⾥就是指针+整数 
 }
 return 0;
}

总结：

int * pa-->pa+1-->pa+1*sizeof(int)

                pa+n-->pa+n*sizeof(int)

char* pa-->pa+n-->pa+n*sizeof(char)

5.2 指针 - 指针

//指针-指针 
//可以计算数组元素个数
#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;
}

注：指针不能加指针想着是无意义的，可以类比日期，两个日期相减可以得知它们之间的间隔天数，但是两个日期相加是无意义的

5.3 指针的关系运算

//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) //指针的⼤⼩⽐较 
 {
 printf("%d ", *p);
 p++;
 }
 return 0;
}

6. 野指针

6.1 野指针成因

1.指针未初始化

#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;
}

2.指针越界访问

#include <stdio.h>
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;
}

3. 指针指向的空间释放

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

6.2 如何规避野指针

6.2.1 指针初始化

#include <stdio.h>
int main()
{
 int num = 10;
 int*p1 = &num;
 int*p2 = NULL;
 
 return 0;
}

6.2.2 小心越界指针

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 指针不再使用时，及时设置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。

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;
 }
 //此时p已经越界了，可以把p置为NULL 
 p = NULL;
 //下次使⽤的时候，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 
 {
 //...
 }
 return 0;
}

6.2.4 避免返回局部变量的地址

如造成野指针的第3个例⼦，不要返回局部变量的地址。

7. 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”。

assert(p != NULL);

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。

使⽤ assert() 有⼏个优点：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 语句的前⾯，定义⼀个宏 NDEBUG 。

#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：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 版本不影响⽤⼾使⽤时程序的效率。

8. 指针的使用和传址调用

8.1 strlen的模拟实现指针的使用

库函数strlen功能是求字符串长度，统计的是字符串中、0之前的字符个数。

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。

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

解决什么问题的时候是必须使用指针的呢？

例：写⼀个函数，交换两个整型变量的值

#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("交换前：a=%d b=%d\n", a, b);
 Swap1(a, b);
 printf("交换后：a=%d b=%d\n", a, b);
 return 0;
}

用上面的这个代码是无法实现两个整型变量的交换的，因为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。

我们可以换一种思路，用指针的方法：

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

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。

结论：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。如果函数内部要修改主调函数中的变量的值，就需要传址调用。