C语言高级篇 - 7.指针

1、指针使用三部曲：定义指针变量、关联指针变量、解引用

        (1)当我们int *p定义一个指针变量p时，因为p是局部变量，所以也遵循C语言局部变量的一般规律（定义局部变量并且未初始化，则值是随机的），所以此时p变量中存储的是一个随机的数字。

        (2)此时如果我们解引用p，则相当于我们访问了这个随机数字为地址的内存空间。那这个空间到底能不能访问不知道（也许行也许不行），所以如果直接定义指针变量未绑定有效地址就去解引用几乎必死无疑。

        (3)定义一个指针变量，不经绑定有效地址就去解引用，就好象拿一个上了镗的枪随意转了几圈然后开了一枪。

        (4)指针绑定的意义就在于：让指针指向一个可以访问、应该访问的地方（就好象拿着枪瞄准目标的过程一样），指针的解引用是为了间接访问目标变量（就好象开枪是为了打中目标一样）

 

2、怎么避免野指针？

        (1)野指针的错误来源就是指针定义了以后没有初始化，也没有赋值（总之就是指针没有明确的指向一个可用的内存空间），然后去解引用。

        (2)知道了野指针产生的原因，避免方法就出来了：在指针的解引用之前，一定确保指针指向一个绝对可用的空间。

        (3)常规的做法是：

             第一点：定义指针时，同时初始化为NULL

             第二点：在指针解引用之前，先去判断这个指针是不是NULL

             第三点：指针使用完之后，将其赋值为NULL

             第四点：在指针使用之前，将其赋值绑定给一个可用地址空间

        (4)野指针的防治方案4点绝对可行，但是略显麻烦。很多人懒得这么做，那实践中怎么处理？在中小型程序中，自己水平可以把握的情况下，不必严格参照这个标准；但是在大型程序，或者自己水平感觉不好把握时，建议严格参照这个方法。

 

3、NULL到底是什么？

         (1)NULL在C/C++中定义为：

#ifdef _cplusplus // 定义这个符号就表示当前是C++环境

#define NULL 0 // 在C++中NULL就是0

#else

#define NULL (void *)0 // 在C中NULL是强制类型转换为void *的0

#endif

        (2)在C语言中，int *p;你可以p = (int *)0;但是不可以p = 0;因为类型不相同。

        (3)所以NULL的实质其实就是0，然后我们给指针赋初值为NULL，其实就是让指针指向0地址处。为什么指向0地址处？2个原因。第一层原因是0地址处作为一个特殊地址（我们认为指针指向这里就表示指针没有被初始化，就表示是野指针）；第二层原因是这个地址0地址在一般的操作系统中都是不可被访问的，如果C语言程序员不按规矩（不检查是否等于NULL就去解引用）写代码直接去解引用就会触发段错误，这种已经是最好的结果了。

        (4)一般在判断指针是否野指针时，都写成

 if (NULL != p)

而不是写成 if (p != NULL)

        原因是：如果NULL写在后面，当中间是==号的时候，有时候容易忘记写成了=，这时候其实程序已经错误，但是编译器不会报错。这个错误（对新手）很难检查出来；如果习惯了把NULL写在前面，当错误的把==写成了=时，编译器会报错，程序员会发现这个错误。

 

4、const关键字与指针

        (1)、const修饰指针的4种形式

        const关键字，在C语言中用来修饰变量，表示这个变量是常量。

        const修饰指针有4种形式，区分清楚这4种即可全部理解const和指针。

 第一种：const int *p;

 第二种：int const *p;

 第三种：int * const p;

 第四种：const int * const p;

        关于指针变量的理解，主要涉及到2个变量：第一个是指针变量p本身，第二个是p指向的那个变量(*p)。一个const关键字只能修饰一个变量，所以弄清楚这4个表达式的关键就是搞清楚const放在某个位置是修饰谁的

        (2)、const修饰的变量真的不能改吗？ 

        课堂练习说明：const修饰的变量其实是可以改的（前提是gcc环境下）。

        在某些单片机环境下，const修饰的变量是不可以改的。const修饰的变量到底能不能真的被修改，取决于具体的环境，C语言本身并没有完全严格一致的要求。

        在gcc中，const是通过编译器在编译的时候执行检查来确保实现的（也就是说const类型的变量不能改是编译错误，不是运行时错误。）所以我们只要想办法骗过编译器，就可以修改const定义的常量，而运行时不会报错。

        更深入一层的原因，是因为gcc把const类型的常量也放在了data段，其实和普通的全局变量放在data段是一样实现的，只是通过编译器认定这个变量是const的，运行时并没有标记const标志，所以只要骗过编译器就可以修改了。

        (3)、const究竟应该怎么用 

        const是在编译器中实现的，编译时检查，并非不能骗过。所以在C语言中使用const，就好象是 一种道德约束而非法律约束，所以大家使用const时更多是传递一种信息，就是告诉编译器、也告诉读程序的人，这个变量是不应该也不必被修改的。

 

5、数组中几个关键符号（a a[0] &a &a[0]）的理解（前提是 int a[10]）

        (1)、这4个符号搞清楚了，数组相关的很多问题都有答案了。理解这些符号的时候要和左值右值结合起来，也就是搞清楚每个符号分别做左值和右值时的不同含义。

        (2)、a就是数组名。a做左值时表示整个数组的所有空间（10×4=40字节），又因为C语言规定数组操作时要独立单个操作，不能整体操作数组，所以a不能做左值；a做右值表示数组首元素（数组的第0个元素，也就是a[0]）的首地址（首地址就是起始地址，就是4个字节中最开始第一个字节的地址）。a做右值等同于&a[0];

        (3)、a[0]表示数组的首元素，也就是数组的第0个元素。做左值时表示数组第0个元素对应的内存空间（连续4字节）；做右值时表示数组第0个元素的值（也就是数组第0个元素对应的内存空间中存储的那个数）

        (4)、&a就是数组名a取地址，字面意思来看就应该是数组的地址。&a不能做左值（&a实质是一个常量，不是变量因此不能赋值，所以自然不能做左值。）；&a做右值时表示整个数组的首地址。

        (5)、&a[0]字面意思就是数组第0个元素的首地址（搞清楚[]和&的优先级，[]的优先级要高于&，所以a先和[]结合再取地址）。做左值时表示数组首元素对应的内存空间，做右值时表示数组首元素的值（也就是数组首元素对应的内存空间中存储的那个数值）。做右值时&a[0]等同于a。

        解释：为什么数组的地址是常量？因为数组是编译器在内存中自动分配的。当我们每次执行程序时，运行时都会帮我们分配一块内存给这个数组，只要完成了分配，这个数组的地址就定好了，本次程序运行直到终止都无法再改了。那么我们在程序中只能通过&a来获取这个分配的地址，却不能去用赋值运算符修改它。

        (6)、总结：

        *1：&a和a做右值时的区别：&a是整个数组的首地址，而a是数组首元素的首地址。这两个在数字上是相等的，但是意义不相同。意义不相同会导致他们在参与运算的时候有不同的表现。

        *2：a和&a[0]做右值时意义和数值完全相同，完全可以互相替代。

        *3：&a是常量，不能做左值。

        *4：a做左值代表整个数组所有空间，所以a不能做左值。

 

6、指针的数据类型的含义

        (1)、指针的本质是：变量，指针就是指针变量

        (2)、一个指针涉及2个变量：一个是指针变量自己本身，一个是指针变量指向的那个变量

        (3)、int *p;定义指针变量时，p（指针变量本身）是int *类型，*p（指针指向的那个变量）是int类型的。

        (4)、int *类型说白了就是指针类型，只要是指针类型就都是占4字节，解析方式都是按照地址的方式来解析（意思是里面存的32个二进制加起来表示一个内存地址）的。结论就是：所有的指针类型（不管是int * 还是char * 还是double *）的解析方式是相同的，都是地址。

        (5)、对于指针所指向的那个变量来说，指针的类型就很重要了。指针所指向的那个变量的类型（它所对应的内存空间的解析方法）要取决于指针类型。譬如指针是int *的，那么指针所指向的变量就是int类型的。

 

7、指针、数组与sizeof运算符

        (1)、sizeof是C语言的一个运算符（主要sizeof不是函数，虽然用法很像函数），sizeof的作用是用来返回()里面的变量或者数据类型占用的内存字节数。 

        (2)、sizeof存在的价值？主要是因为在不同平台下各种数据类型所占的内存字节数不尽相同（譬如int在32位系统中为4字节，在16位系统中为2字节···）。所以程序中需要使用sizeof来判断当前变量/数据类型在当前环境下占几个字节。

        (3)、32位系统中所有指针的长度都是4，不管是什么类型的指针。

        (4)、strlen是一个C库函数，用来返回一个字符串的长度（注意，字符串的长度是不计算字符串末尾的'\0'的）。一定要注意strlen接收的参数必须是一个字符串（字符串的特征是以'\0'结尾） 

        (5)、sizeof测试一个变量本身，和sizeof测试这个变量的类型，结果是一样的。

        (6)、sizeof(数组名)的时候，数组名不做左值也不做右值，纯粹就是数组名的含义。那么sizeof(数组名)实际返回的是整个数组所占用内存空间（以字节为单位的）。

        (7)、函数形参是数组时，实际传递是不是整个数组，而是数组的首元素首地址。也就是说函数传参用数组来传，实际相当于传递的是指针（指针指向数组的首元素首地址）。

 

8、指针与函数传参

        (1)、普通变量作为函数形参

        函数传参时，普通变量作为参数时，形参和实参名字可以相同也可以不同，实际上都是用实参来替代相对应的形参的。

        在子函数内部，形参的值等于实参。原因是函数调用时把实参的值赋值给了形参。

        这就是很多书上写的“传值调用”（相当于实参做右值，形参做左值）

        (2)、数组作为函数形参

        函数名作为形参传参时，实际传递是不是整个数组，而是数组的首元素的首地址（也就是整个数组的首地址。因为传参时是传值，所以这两个没区别）。所以在子函数内部，传进来的数组名就等于是一个指向数组首元素首地址的指针。所以sizeof得到的是4.

        在子函数内传参得到的数组首元素首地址，和外面得到的数组首元素首地址的值是相同的。很多人把这种特性叫做“传址调用”（所谓的传址调用就是调用子函数时传了地址（也就是指针），此时可以通过传进去的地址来访问实参。）

        数组作为函数形参时，[]里的数字是可有可无的。为什么？因为数组名做形参传递的实际只是个指针，根本没有数组长度这个信息。

        (3)、指针作为函数形参

        只有一句话：和数组作为函数形参是一样的.这就好像指针方式访问数组元素和数组方式访问数组元素的结果一样是一样的。

        (4)、结构体变量作为函数形参

        结构体变量作为函数形参的时候，实际上和普通变量（类似于int之类的）传参时表现是一模一样的。所以说结构体变量其实也是普通变量而已。

        因为结构体一般都很大，所以如果直接用结构体变量进行传参，那么函数调用效率就会很低。（因为在函数传参的时候需要将实参赋值给形参，所以当传参的变量越大调用效率就会越低）。怎么解决？思路只有一个那就是不要传变量了，改传变量的指针（地址）进去。

        结构体因为自身太大，所以传参应该用指针来传（但是程序员可以自己决定，你非要传结构体变量过去C语言也是允许的，只是效率低了）；回想一下数组，为什么C语言设计的时候数组传参默认是传的数组首元素首地址而不是整个数组？

        (5)、传值调用与传址调用

#include 
 
void swap1(int a, int b)
{
    int tmp;
    tmp = a;
    a = b;
    b = tmp;
    printf("in swap1, a = %d, b = %d.\n", a, b);
}
 
void swap2(int *a, int *b)
{
    int tmp;
    tmp = *a;
    *a = *b;
    *b = tmp;
    printf("in swap1, *a = %d, *b = %d.\n", *a, *b);
}

 传值调用描述的是这样一种现象：x和y作为实参，自己并没有真身进入swap1函数内部，而只是拷贝了一份自己的副本（副本具有和自己一样的值，但是是不同的变量）进入子函数swap1，然后我们在子函数swap1中交换的实际是副本而不是x、y真身。所以在swap1内部确实是交换了，但是到外部的x和y根本没有受影响。

        在swap2中x和y真的被改变了（但是x和y真身还是没有进入swap2函数内，而是swap2函数内部跑出来把外面的x和y真身改了）。实际上实参x和y永远无法真身进入子函数内部（进去的只能是一份拷贝），但是在swap2我们把x和y的地址传进去给子函数了，于是乎在子函数内可以通过指针解引用方式从函数内部访问到外部的x和y真身，从而改变x和y。 

        结论：这个世界上根本没有传值和传址这两种方式，C语言本身函数调用时一直是传值的，只不过传的值可以是变量名，也可以是变量的指针。

9、输入型参数与输出型参数

        (1)、函数为什么需要形参与返回值

        函数名是一个符号，表示整个函数代码段的首地址，实质是一个指针常量，所以在程序中使用到函数名时都是当地址用的，用来调用这个函数的。

        函数体是函数的关键，由一对{}括起来，包含很多句代码，函数体就是函数实际做的工作。

        形参列表和返回值。形参是函数的输入部分，返回值是函数的输出部分。对函数最好的理解就是把函数看成是一个加工机器（程序其实就是数据加工器），形参列表就是这个机器的原材料输入端；而返回值就是机器的成品输出端。

        其实如果没有形参列表和返回值，函数也能对数据进行加工，用全局变量即可。用全局变量来传参和用函数参数列表返回值来传参各有特点，在实践中都有使用。总的来说，函数参数传参用的比较多，因为这样可以实现模块化编程，而C语言中也是尽量减少使用全局变量。

        全局变量传参最大的好处就是省略了函数传参的开销，所以效率要高一些；但是实战中用的最多的还是传参，如果参数很多传参开销非常大，通常的做法是把很多参数打包成一个结构体，然后传结构体变量指针进去。

        (2)、函数传参中使用const指针 

        const一般用在函数参数列表中，用法是const int *p;（意义是指针变量p本身可变的，而p所指向的变量是不可变的）。 

        const用来修饰指针做函数传参，作用就在于声明在函数内部不会改变这个指针所指向的内容，所以给该函数传一个不可改变的指针（char *p = "linux";这种）不会触发错误；而一个未声明为const的指针的函数，你给他传一个不可更改的指针的时候就要小心了。

        (3)、函数需要向外部返回多个值时怎么办？ 

        一般来说，函数的收入部分就是函数参数，输出部分就是返回值。问题是函数的参数可以有很多个，而返回值只能有1个。这就造成我们无法让一个函数返回多个值。

        现实编程中，一个函数需要返回多个值是非常普遍的，因此完全依赖于返回值是不靠谱的，通常的做法是用参数来做返回（在典型的linux风格函数中，返回值是不用来返回结果的，而是用来返回0或者负数用来表示程序执行结果是对还是错，是成功还是失败）。

        普遍做法，编程中函数的输入和输出都是靠函数参数的，返回值只是用来表示函数执行的结果是对（成功）还是错（失败）。如果这个参数是用来做输入的，就叫输入型参数；如果这个参数的目的是用来做输出的，就叫输出型参数。

        输出型参数就是用来让函数内部把数据输出到函数外部的。

        (4)、总结 

        看到一个函数的原型后，怎么样一眼看出来哪个参数做输入哪个做输出？函数传参如果传的是普通变量（不是指针）那肯定是输入型参数；如果传指针就有2种可能性了，为了区别，经常的做法是：如果这个参数是做输入的（通常做输入的在函数内部只需要读取这个参数而不会需要更改它）就在指针前面加const来修饰；如果函数形参是指针变量并且还没加const，那么就表示这个参数是用来做输出型参数的。

        譬如C库函数中strcpy函数