【C语言】深入理解指针（1）

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【C语言】深入理解指针（1）

正文开始——

1. 内存与地址

1.1 内存

我们知道，计算机上CPU（中央处理器）在处理数据的时候，需要的数据是从内存中读取的，处理后的数据也会放在内存中，不同电脑中的内存大小也会不同，8GB\16GB\32GB等，那这些内存空间是如何高效管理的呢？

其实内存被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)：

1 bit - 比特位 1 1 Byte = 8 bit 2 Byte - 字节 2 1 KB = 1024 Byte 3 KB 3 1 MB = 1024 KB 4 MB 4 1 GB = 1024 MB 5 GB 5 1 TB = 1024 GB 6 TB 6 1 PB = 1024 TB 7 PB

1.2 究竟该如何编址？

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，但是因为内存中字节很多，所以需要给内存进行编址。

助解 //类似于一栋宿舍楼，想找到具体的某个房间，而一栋楼里面有很多房间，现在需要给房间编号，便于找房间

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。

助解 //类似于钢琴、吉他上没有写 “剁、来、米、发、梭”这样的信息，但演奏者又知道其具体的位置，这是为什么呢？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。本质上是一种约定好的共识！

首先，必须理解，计算机内是有很多的硬件单元，而硬件单元是要相互协同工作的。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相互独立的，那么如何通信呢？---用 " 线 " 连起来。

不过，我们今天只关注一组线，叫做地址总线。

硬件编址也是如此。

我们可以理解，32位机器有32根地址总线，每根线有两态，表示 0，1（电脉冲有无），那么1根线，就表示2种含义，2根线表示4种含义，以此类推，32根地址总线，就表示2的32次方种含义，每一种含义都表示一个地址。

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，将数据再通过数据总线传入CPU内寄存器。

2. 指针变量和地址

2.1 取地址操作符（&）

在C语言中创建变量其实就是向内存中申请空间

1 #include<stdio.h> 2 int main（） 3 { 4 int a = 0; 5 return 0; 6 }

在上述的代码中是创建了整型变量a，向内存中申请4个字节的空间，用于存放整数10，其中每个字节都有地址。那我们该如何得到 a 的地址呢？用 &（取地址操作符）。

a 是一个整型变量，占内存中4个字节，而 &a 取出的是 a 所占4个字节中地址较小的字节的地址。打印地址的占位符是%p。虽然整型变量占用4个字节，我们只要知道了第一个字节的地址，顺藤摸瓜就能访问到4个字节的数据也是可行的。

2.2 指针变量与解引用操作符（*）

2.2.1 指针变量

我们通过取地址操作符(&)拿到的是地址是一个数值，比如：0x006FFD70（16进制），这个数值有时候需要存储起来以便后期使用。这种地址就是存到指针变量中。

指针变量是一种变量，这种变量用来存放地址，存放在指针变量中的值都会被理解为地址。

2.2.2 如何拆解指针类型

1 int a=10; 2 int* pa= &a;

pa 左边的的 int* ，* 是在说明 pa 是指针变量，而前面的 int 是在说明 pa 指向的是整形（int）类型的对象。例如：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？

1 char ch = 'w'； 2 char* pc = &ch；

2.2.3 解引用操作符

前面我们把地址保存在指针变量中，那我们该如何把它拿出来使用呢？那么这里就要介绍解引用操作符 *。

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。

上面代码中我们就用到了 *（解引用操作符）。

*pa 的意思是通过 pa 中存放的地址，找到了 pa 所指向的对象，所以 *pa 就是 a 变量；所以*pa=100，就是把 a 改成了100。

我们这里把修改 a 值的操作通过 pa 来完成，与以往修改 a 值的方法不同。

2.3 指针变量的大小

前面提到，32位机器假设有32根地址总线，每根地址总线出来的电信号转换成数字后是1或0，那我们把32根地址总线产生的二进制序列当做一个地址，那么一个地址就是32个 bit 位，就需要4个字节进行存储。

如果指针变量是用来存储地址的，那么指针变量的大小就需要4个字节的空间才可以。

同理，64位机器，64根地址总线，64个 bit 位，8个字节，也就是需要8个字节的空间来存储一个地址，把地址放在指针变量中，所以在这里一个指针变量的大小是8个字节。

见下图~~~

X86环境

X64环境

1. 32位平台下地址是32个bit位（即4个字节）
2. 64位平台下地址是64个bit位（即8个字节）
3. 注意，指针变量的大小与类型无关，只要指针变量在相同的平台下，其大小都是一样的。

3. 指针变量类型的意义

3.1 指针的解引用

代码1

代码2

在调试中我们会发现，代码1会将 n 的4个字节全部改为0，而代码2只是将 n 的第一个字节改为0。

结论1：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）。

3.2 指针+-整数

先看一段代码，调试观察指针的变化。

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* 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，其实是跳过一个指针指向的元素。指针可以+1，也可以-1。

结论2：指针的类型决定了指针向前或向后走一步有多大（距离）。

3.3 void* 指针

在指针类型中有一类特殊的类型是 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。

例如：

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报，是因为类型不兼容。而使用void*类型就不会出现这样的问题。

使用 void* 类型的指针接收地址:

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* 类型的指针有何用处呢？

一般 void* 类型的指针使用在函数参数的部分，用来接收不同类型数据的指针，这样的设计可以实现泛型编程的效果。

4. const 修饰指针

4.1 const 修饰变量

变量是被修改的，如果把一个变量的地址交给一个·指针变量，通过指针变量也可以修改这个变量。但是现在希望给这个变量加上一些限制，使它不被修改，那该怎么办呢？这就是 const 的作用。

在上面的代码中，m可以被修改，n不能被修改，其实n本质是变量，被 const 修饰后，在语法上加了限制，只要我们在代码中对n进行修改，就不符合语法规则，就报错，致使没法直接修改n。

但是我们绕过n，使用n的地址去修改n就可以了，虽然这样做是在打破语法规则。

我们可以看到，n被修改了。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n不被修改，，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，应该怎么办呢？

4.2 const 修饰指针变量

一般来讲 const 修饰指针，可以放在 * 的左边，也可以放在 * 的右边，意义不一样。

看下面的代码，我们来具体分析一下：

看图片中的代码红色标记就可以知道效果。

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，保证指针变量本身不可变，但是指针指向的内容，可以通过指针来改变。

5. 指针运算

指针的基本运算有三种，分别是：

1. 指针+-整数
2. 指针-指针
3. 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，顺藤摸瓜就能找到后面的所有元素。

顺藤摸瓜的前提条件：1. 指针类型决定了指针+1 的步长，决定了指针解引用的权限。

2. 数组在内存是连续存放的。

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

数组 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 下标 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

在图中第11行代码，（p+i）这里就是指针+整数。p 是首元素的地址，那么 p+i 就是下标为 i 的元素的地址，再通过 * 进行解引用操作找到数组中的元素，再通过 for 循环进行打印数组中的内容。

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块空间。

5.3 指针的关系运算

在代码第43行，这里实现了指针的大小比较。在数组 arr 中地址由低到高，所以 p<arr+sz 。arr 为数组首元素的地址。

6. 野指针

概念：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）。

6.1 野指针成因

1. 指针未初始化

此时 p 就是野指针，p 是局部变量，但是没有初始化，其值是随机的，如果将 p 中存放的值当做地址，解引用操作符就会形成非法访问。

2. 指针越界访问

3. 指针指向的空间释放

n 为局部变量。主函数进来，先访问 test 函数，其返回值放到 p 里面去。在 test 函数里面，通过返回值将 &n 放到 p 里面。进入函数n创建，出了函数n被销毁，也就是说，把存放n的内存释放还给了操作系统，但是 p 一旦接收了这个地址，p 里面存放的就是野指针。

6.2 如何规避野指针

6.2.1 指针初始化

如果明确知道指针指向哪里就直接赋值，如果不知道指针指向哪里，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。

既然初始化指针为 NULL，就不要在使用*p2了。例如：*p2=200 (//err)。

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，不能超过范围访问，超过了就是越界访问。

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时，我们可以通过指针访问该区域，后期不再使用指针访问这个空间的时候，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，同时使用之前可以判断指针是否为NULL。

助解 //我们可以把野指针想象成野狗，野狗放任不管是非常危险的，所以我们可以找一棵树把野狗拴上，就相对安全了，给指针变量及时赋值为NULL，其实就类似于把野狗拴起来，就是把野指针暂时管理起来。

不过野狗即使拴起来我们也要绕着走，不要去挑逗野狗，有点危险；对于指针来说，在使用之前，我们要判断指针是否为NULL，看看是不是被拴起来的野狗，如果是我们就不能直接使用，如果不是我们再去使用。

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”。

1 assert（p！=NULL）；

上面代码在程序运行到这一行代码时，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，在屏幕中写入一条错误信息，显示没有通过的表达式，以及包含那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。它不仅能自动识别文件和出现问题的行号，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。

1 #define NDEBUG //用此来作为开关控制 assert 要不要产生效果 2 #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，这样就重新启动了assert（）语句。

assert（）的缺点是，因为引入了额外的检查，增加了程序运行的时间。

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 的功能是求字符串长度，统计的是字符串中 \0 之前字符的个数。

函数原型如下：

1 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：

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：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：

结果未能如愿。why？

我们发现在 main 函数内部，创建了a和b，a和b都有各自的地址，在调用 Swap1 函数的时候，将值传给了 Swap1 函数，在 Swap1 函数内部创建了形参x和y来接收a和b的值，而且x和y也都有各自的地址，x和y也确实是收到了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的值没法交换。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是失败了。

那怎么办呢？

我们要解决的是就是当调用 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，并达到交换的结果就好了。

这样就OK了。这里调用函数 Swap2 函数的时候是将变量的地址传递给了函数，这种函数调用的方式叫：传址调用。

传址调用，可以让函数和主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。

本文参与 腾讯云自媒体同步曝光计划，分享自作者个人站点/博客。 原始发表：2024-07-26，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent 删除前往查看数据指针变量函数内存

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