《C和指针》—第5章：指针

内存和地址

计算机的内存是由数以亿万计的位（bit）组成，每一个位可以容纳值0、1值。由于一个位所能表示的值的范围太有限，所以单独的位用处不大。，通常许多为合成一组作为一个单位，这样就可以存储范围较大的值。

这些位置的每一个都被称为字节（byte），每个字节都包含了存储一个字符所需要的位数。在现在的许多机器上每一个字节包含8个位，可以存储无符号值0-255，或者有符号值-128--127,。

之后为了存储更大的值，我们把两个或更多的字节合在一起作为一个更大的内存单位。例如，机器以字为单位存储整数，每一个字一般有2至4个字节组成。下面这个图所表示的内存位置以4个字节来表示。

由于它们包含了更多的位，每一个字可以容纳无符号整数的范围是从0-4294967295(或者是2的32次方-1），或者是有符号的范围（-2147483648至2147483647（或者说是负2的31次方至2的31次方-1））。

地址与内容

这里有一个例子，上边的数字是内存地址，下边的是对应的内容：

如果你记得这几个数的地址你就可以根据地址来用这些值，但是要记住地址太难了，地址有很多，很复杂，所以不切实际。所以可以通过名字而不是地址来访问内存的位置。如下图所示：

有一点很重要，名字与内存位置之间的关联并不是硬件提供的，它是由编译器实现的。所以这些变量给了我们一种更方便的方法记住地址————硬件仍然通过地址访问内存位置。

值和类型

现在让我们来看一下存储于这些位置的值。

int a = 112,b = -1;
float c = 3.14;
int *d = &a;
float *e = &c;

在这个声明中，a和b确实是存储整型变量的值，一个是112，一个是-1，但是c声明的浮点型变量。但是在图中却是一个整数。那么到底是一个什么样的数呢？答案是该变量包含了一系列内容为0或1 的位，他们可以解释为整数，也可以被解释为浮点数，这取决于他们被使用的方式，如果使用的是整型算术指令，这个值就解释为整数，如果使用的浮点数类型的指令，就解释为浮点数。

这个事实引出了一个重要的结论：不能简单的通过检查一个值的位来判断他的类型。

指针变量的内容

接下来看刚才的指针声明。他们被声明为指针，并且用其他变量的地址予以初始化。

d和e的内容是指定的地址。区分变量d的地址（112）和他的内容（100）是非常重要的。要意识到，100这个数值用于标识其他位置。

a的值是112；b的值是-1；c的值是3.14；d的值是100；e的值是108；

未初始化和非法的指针

下面这个代码段说明了一个极为常见的错误：

int *a;
...
*a = 12;

这个声明创建了一个名叫a的指针变量，后面那条赋值语句把12存储在a所指向的内存位置。

声明这个变量但是并没有对他进行初始化，所以我们没有办法预测12这个值将存储于什么地方。如果变量是静态的，他会被初始化为0；如果是自动的，他根本不会被初始化。无论是那种情况，声明一个指向整型的指针都不会创建用于存储整型值的内存空间。

所以，如果程序执行这个赋值操作，1）a的初始值会是一个非法地址，这样的赋值语句将会出错，从而终止程序。它提示程序试图访问一个并未分配给程序的内存位置。2）一个更为严重的错误是，这个指针包含一个合法的地址，那么位于那个地址的值就会被修改。所以，在你对指针进行间接访问之前，必须非常小心，确保他们已经被初始化。

NULL指针

标准定义了NULL指针，作为一个特殊的指针变量，不指向任何东西。要使一个指针变量为NULL，你可以给他赋一个零值。为了测试一个指针变量是否为NULL，你可以将它与零值进行比较。之所以选择零值，是因为一种源代码约定。

指针常量

让我们来分析另外一个表达式。假设变量a存储于位置100，那么下面这条语句：

*100 = 25；

这个语句看上去像是把25赋值给a，因为a是位置100所存储的变量。但是这是错的，因为字面值100的类型是整数，而间接访问操作只能作用于指针类型表达式。如果你确实想把25存储于位置100，你必须使用强制类型转换：

*（int *）100 = 25；

强制类型转换把值100从整型转换为指向整型的指针。这样对他进行访问就是合法的。

指针的指针

假定进行了如下声明：

int a = 12;
int *b = &a;
int **c = &b;

a是常量，b是指向整型变量的指针，c是指向“指向整型变量的指针”的指针，就是指向指针的指针。

*操作符具有从右向左的结合性，所以这个表达式相当于*(*c)，我们必须从里向外求值。

指针表达式

现在让我们观察各种不同的指针表达式，并看一下当他们分别作为左值和右值时是如何进行求值的。

首先看一些声明：

char ch = 'a';

char *cp  = &ch;

 他们的关系如图所示：

图中还显示了ch后面的内存位置，由于我们不知道它的初始值，所以用一个问号代替。

 当ch作为右值使用时，表达式的值表示内容a；当它作为左值使用时，它是这个内存的地址而不是该地址包含的值，所以他的图示有所不同：

ch作为右值：

 ch作为左值：（它的值并未显示，因为他不重要）

下面我们对几种表达式求值进行分析：

（1）

作为右值，这个表达式是求变量ch的地址，这个值和cp的内容一样，都是指向ch 的地址，但是与cp没有什么关系。第二个问题是，他不能作为左值使用，因为这个表达式没有标识任何机器内存的特定位置，所以他不是一个合法的左值。

（2）

在这个表达式中，cp作为右值的内容就是ch的地址，作为左值就是指针变量cp的地址。

（3）

这个表达式中，作为右值表示指针变量cp的地址，结果是指向“指向字符指针”的指针；作为左值这个值的存储位置没有清楚定义，所以非法。

（4）

这个表达式中，*cp作为右值得到的是指针指向的地址中的内容；作为左值得到的是指向另一个的地址。

（5）

这个图中，表达式作为右值，因为*运算符的优先级高于+，所以先进行*cp求解，得到虚线中的值a，然后执行加1操作，得到下一个值b。表达式作为左值，这个表达式的最终存储位置没有清晰定义，所以他不是一个合法的左值。优先级的表格证实+的结果不能作为左值。

（6）

这个表达式先进行括号内的运算，作为右值时，cp + 1 为图中虚线椭圆，表示ch后面的内存位置中的内容；作为左值时，就是表示这个位置的本身地址。在这里，指针加法运算的结果是一个右值，因为他的存储位置并未清晰定义。如果没有间接访问操作，这个表达式将不是一个合法的值，然而有了间接访问之后，指针访问了一个特定的位置，这样表达式*（cp + 1）就可以作为左值使用。

（7）

在这个表达式中，cp为指向ch的指针，这个表达式是增值后指针的一份拷贝，前缀++先增加了操作数，然后再返回这个结果，增加了指针变量cp的值，指向了ch后一个单位的内存位置。作为左值，存储位置没有清楚定义，所以不能作为合法左值。

（8）

这个表达式，作为左值，先是返回cp的一份拷贝然后再增加cp的值，也就是图中实线椭圆，这样这个表达式的值就是cp原来的值的一份拷贝；作为左值，作为左值，存储位置没有清楚定义，所以不能作为合法左值。但是如果我们在表达式中增加了间接访问操作符，他们就可以成为合法的左值，如下图所示。

（9）

在这里，间接访问操作符作用于增值后的指针的拷贝上，所以它的右值是ch后面那个内存地址的值，而他的左值就是那个位置本身。

（10）

这个表达式中，在右值中，先是cp++，返回cp的拷贝然后进行增值，返回拷贝之后进行解引用，那么指的就是cp指针指向的内容；在左值中，指向ch的内存位置，也就是地址。

（11）

在这个表达式中，由于这两个操作符的结合性都是从右向左，所以首先执行的间接访问操作。然后，cp所指向的位置的值增加1，也就是a增加1成为b，表达式的结果是这个增值后的值的一份拷贝；左值时，没有一个确定的内存位置，所以不能用作左值。

（12）

这个表达式中，显示求括号内的表达式，右值时，先是求*cp得到a，然后返回值a，最后进行加1操作；

（13）

这个表达式中，这里边的操作符的结合性是从右向左的，，所以首先执行的是++cp，然后返回cp指向的内存地址的拷贝增值，也就是后一个内存位置，然后解引用，得到后一个位置的内容，然后对后一个位置的内容进行增值操作。

（14）

在这个表达式中，由于符号的优先级问题，先执行最后的++操作，然后得到cp指针的拷贝，然后在进行增值操作，然后进行拷贝的解引用得到指针指向的值a，然后进行增值操作得到b。

实例（1）：

/*
计算一个字符串的长度
*/
#include

size_t strlen ( char *string ) 
{
    int length = 0;
    while ( *string++ != '\0' ){
        length ++;
    }
    return length;
}

实例（2）：

下面的两个函数增加了一层间接访问，他们在一些字符串中搜索某个特定的字符值，我们使用指针数组来表示这些字符串，如图所示：

函数的参数是strings和value，strings是一个指向指针数组的指针，value使我们要搜索的值，注意指针数组以一个NULL指针结束。函数将检查这个值以判断循环何时结束。

/*
给定一个指向以NULL结尾的指针列表的指针，在列表中的字符串中查找一个特定的字符。
*/
#include

#define TRUE 1
#define FALSE 0

int find_char( char **strings, char value)
{
    char *string;    //当前查找的字符串

    while ( (string = *strings++ ) != NULL ) 
    {
        while ( *string++ != '\0' )
        {
            if (*string++ == value ){
                return TRUE;
            }
        }
    }
    return FALSE;
}

指针运算

之前的博客文章中都有介绍这里就不赘述了。

算术运算

C的指针算术运算只限于两种形式。

第一种形式是：指针 加减 整数

第二种形式是：指针 减 指针

只有当两个指针都指向同一个数组中的元素时，才允许从一个指针减去另一个指针。

两个指针相减的结果的类型是ptrdiff_t， 它是一种有符号整数类型，减法运算的值是两个指针在内存中的距离（以数组元素的长度为单位，而不是以字节为单位），因为减法运算的结果将除以数组元素类型的长度。