C语言——I /深入理解指针（一）

用户11015888

发布于 2024-03-11 19:41:05

3480

文章被收录于专栏：csdncsdn

一、内存和地址

1byte（字节） = 8bit（比特位）
1KB = 1024byte
1MB = 1024KB
1GB = 1024MB
1TB = 1024GB
1PB = 1024TB

一个比特位可以存放二进制的0/1的一位

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

二、指针变量和地址

1、指针变量

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、拆解指针类型

我们看到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;

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。

3、解引用操作符

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(*)。

#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；所以*pa = 0，这个操作符是把a改成了0。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。

4、指针变量的大小

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，指针变的大小就是8个字节。

32位

64位

总结：

• 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。

三、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？

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

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


//代码2
#include <stdio.h>
int main()
{
	int n = 0x11223344;
	char* pc = (char*)&n;
	*pc = 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）。 意思就是 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，同理short* 访问2个字节 double* 就会访问8个字节。

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;
}

代码运行的结果如下：

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跳过了4个字节。这就是指针变量的类型差异带来的变化。 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、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。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《深入理解指针(4)》中我们会讲解。

总结：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），决定了指针向前或者向后走一步有多大（距离）， void* 类型的指针不能直接进行指针的 + - 整数和解引用的运算，但能接受任意类型地址。

四、const 修饰指针

1、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。

#include <stdio.h>
int main()
{
	int m = 0;
	m = 20;//m是可以修改的
	const int n = 0;
	n = 20;//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，至使没法直接修改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。

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

我们可以看到确实修改了，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？

2、const 修饰指针变量

#include <stdio.h>
//1.p变量里存的是地址；
//2.p也有自己的地址；
//3.*p是p指向的空间。

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;
	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，不能通过p来修改p指向空间的内容，p是可以修改的
	test2();

	//测试const放在*的右边情况，限制P变量没办法指向其他变量，但*p可以修改
	test3();

	//测试*的左右两边都有const，p变量和*p都被限制
	test4();

	return 0;
}

结论：const 修饰指针变量时 • 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。

五、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

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。

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

利用指针查找数组元素：

#include <stdio.h>
//指针+- 整数
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+整数跳过一个整型变量
	}
	return 0;
}

2、指针 - 指针

得到的绝对值是指针和指针之间的元素个数，其运算条件：两个指针指向同一空间。

例：实现strlen

//指针-指针
#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;
}

3、指针的关系运算

例：遍历数组

//指针的关系运算
#include <stdio.h>
int main()
{
	int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
    //数组元素个数可以先不确定，然后通过int sz来确定

	int* p = &arr[0];
	int i = 0;
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);

    //arr是数组名，数组名其实是数组首元素地址arr==arr[0]
	while (p < arr + sz) 
	{
		printf("%d ", *p);
		p++;
	}
	return 0;
}

六、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

#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[5] = { 0 };
	int* p = &arr[0];
	int i = 0;
	for (i = 0; i <= 10; 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

临时变量会被销毁，再次寻址时会形成野指针

#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

1、指针初始化

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：

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

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。

3、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。 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起来，就相对安全了，给指针变量及时赋值为NULL，其实就类似把野狗栓前来，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，不能去挑逗野狗，有点危险；对于指针也是，在使⽤之前，我们也要判断是否为NULL，看看是不是被拴起来起来的野狗，如果是不能直接使⽤，如果不是我们再去使⽤。

int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,67,7,8,9,10 };
	int* p = &arr[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;
}

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。

七、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语句时，验证变量 p 是否等于 NULL（并不仅限于指针）。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 stderr 中写⼊⼀条错误信息，表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题，不需要再做断言，就在 #include <assert.h> 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 NDBUG 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。

八、指针的使用和传址调用

1、strlen的模拟实现

strlen 返回类型为size_t 打印时为%zd

库函数strlen的功能是求字符串⻓度，统计的是字符串中 \0 之前的字符的个数。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。参考代码如下：

int my_strlen(const char* str)//保护指针不被改变
{
	int count = 0;
	assert(str);//保护指针不为空
	while (*str)
	{
		count++;
		str++;
	}
	return count;
}
int main()
{
	int len = my_strlen("abcdef");
	printf("%d\n", len);
	return 0;
}

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

#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);//传值调用
	printf("交换后：a=%d b=%d\n", a, b);
	return 0;
}

我们发现其实没产⽣交换的效果，这是为什么呢？调试⼀下，试试呢？

我们发现在main函数内部，创建了a和b，a的地址是0x00cffdd0，b的地址是0x00cffdc4，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0x00cffcec，y的地址是0x00cffcf0，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：函数的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Swap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。

#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);//传址调用
	printf("交换后：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：2024-01-23，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

int