指针理论篇

                                                                                          《目录》

• 指针的由来 
• 指针类型在32位系统为什么占 4 字节 ？
• 科技公司的指针面试题，如何写的规范，讲的清晰，有木有工具辅助 ？
• 使用指针的注意事项，安全操作指南有没有呢 ？
• 单指针实现双指针的双链表
• 使用指针适合什么样的数据区间呢 ，为什么STL中所有算法的处理多是左闭右开区间[begin, end) ?

---

指针的由来 

 

织布机: 指针的由来

 

     指针其实来源于民间的 织布机。 

     看上面俩张 织布机.gif，这俩张图代表了织布机 的原理。

     织布机 的原理看起来很简单，一脚一脚踩下去针就一直缝下来。

     仔细 TA 看设计的极为巧妙，轮子、线、针配合的如此神奇。

     看第一幅图，轮子在上面的中间位置带着线开始向前，一直转到下半圈把线抛出去，这时线被一针的力量给拉上去......

     指针和 织布机 的针 很像很像，也许会觉得很抽象吧。

---

     纺织机我们明白其运作原理可能需要一些机器的知识，以 布 是怎么织出来的举个例子。

     织布先要有线，把线条先纵向的排列好，一根接一根，这个叫 “经线”(竖着的线)

                              把线条再横向的排列好，一根接一根，这个叫 “纬线”(横着的线)

     但纬线的排列还得一上一下，就是第一根压在经线上，下一根压在经线下，下下根压在经线上...，如此反复，当经线和纬线牢牢的锁住了，布就织好了。

       不过，这样织出来的布颜色单一，且没有任何图案。

       于是，人们把线染成不同的颜色，按照特定的手法就能形成一些有寓意的图案/花样，这个方法叫 “提花”。

       历史上，那个时候的欧洲正从手工业转向机器大工业，人们开始大规模的使用各种机器代替人类的手工和体力劳动了。

       因此，提花被制成了机器，就叫 “提花机”。

       要组成一个有寓意的图案/花样，就需要经线和纬线在特定的位置穿过。

       操作者需要记忆复杂的口诀，按照复杂的流程来操作，看起来十分复杂。

       后来法国的纺织匠布修，发明了新的提花机，TA 在一条纸带的特定位置打上孔，而后用这些孔来控制经线的提起过程。

        现在操作者就不需要背诵口诀，只需要不停的挪动这条纸带，这个纸带可以看成计算机的存储器。

        纺织机打孔就是编程，布织出来了就是程序写好了；纺织的过程就是执行存储器中的程序指令。   

        纸带就提供了一个输入指令的方式，这个方式的好处就是，可以完整的写好一个指令，而后一次输入。    

        后来，经过几位发明家改进，最后在一位叫 雅卡尔 的人手里，完成了最终的改进。

        雅卡尔织布机，就是一台可以编程的全自动织布机 。   

雅卡尔织布机

    在商业活动和国家管理中，有很多复杂的计算工作要做。

    有一个发明家叫巴贝奇，觉得计算工作完全可以交给机器来完成。他尝试制造了一台样机，通过各种齿轮的配合，这台机器能进行六位数的加法运算。

     做出了这样一台机器之后，他信心满满，计划要造一个更大、更实用的计算机器。英国政府知道了这件事情，也很高兴，干脆给他下了个订单，说，“既然这样，你就给我们造一台吧。”

    就在巴贝奇建造庞大计算机器的时候，埃达注意到了他的工作，也加入了进来。

    雅卡尔织布机的影响没有局限在纺织这个领域内，也扩展到了其他的领域。

    比如，他还影响了英国当时著名的大诗人拜伦，当然不是说，雅卡尔的织布机影响了拜伦的诗作，而是影响了他的女儿埃达。

    埃达也很了不起，从某种意义上说，她比她父亲更了不起，因为她是世界上公认的第一位程序员。

 

    她开始和巴贝奇反复讨论机器的各个细节，丰富巴贝奇的设计。

    也许是对提花工艺非常熟悉的缘故，埃达突发奇想，觉得提花机上的那个纸带会派上大用处。

    对提花机来说，纸带实际上提供了一个输入指令的方式，这个方式的好处是，您可以完整地写好一个指令，而后再一次性输入进去 。这比巴贝奇原来的想法(通过硬件一点点输入指令要好得多)。

    埃达就在巴贝奇的分析机上，设计了第一个程序 --- 计算伯努利数，也因此被称为第一位程序员。

    巴贝奇对此也非常满意。随后，埃达把他们的想法写成了论文。

    埃达当时只有 27 岁，有着极高的数学造诣和研究热情。在她的帮助下（包括财力的资助），巴贝奇的工作取得了很大的进展，但不幸的是，她在 36 岁时英年早逝了。

    埃达去世后，巴贝奇又独自坚持了 20 年，最终只完成了这台计算机的一小部分。因此他是带着遗憾离开人世的。所幸的是，巴贝奇和阿达留下了 30 种不同的设计方案，近 2100 张组装图和 50000 张零件图，清晰地告诉了后人他们的设计思想。

 

    就这样，通过雅卡尔织布机成就了计算机，那指针又是如何来的 ？

 

      摘自《32位、64位、128位系统是什么晷 ?》。

      通过给每个地址编号，就可以准确的描述每一个地址；继而类似于 织布机 的穿针引线想出了一个可以指向任意内存地址的指针。

 

       就这样，通过织布机也就创造了指针。

织布机: 指针的由来

    有木有觉得，织布机的图不太一样。就是第一、二副图和第四、五幅图工作的方式不太一样。

    成就计算机的，的确是织布机；创造指针的，这个机器其实我也不知道叫什么，应该是叫 裁缝机，我这里一起说了您可能会有点混乱。 

    但世界上，第一台计算机不是 1946 年埃尼亚克 ，而是中国的算盘。

   摘自《密码学》。 

   如果用一句话概括的话，算盘不仅有计算机的硬件，还有能够控制计算的指令集，也就是珠算口诀，相当于是计算机程序的基础，所以说，第一台计算机其实是中国的算盘。

   从算盘，到帕斯卡、莱布尼茨，最后到 巴贝奇 和 埃达，计算机也从简单渐渐复杂......

 

 

---

指针类型在32位系统为什么占 4 字节 ？

       记录在 《32位、64位、128位系统是什么晷 ?》的 32 位篇，不重述了。

 

 

---

科技公司的指针面试题，如何写的规范，讲的清晰，有木有工具辅助 ？

        一般进去大公司，第一关就会遇到类似的题目：

        在保证格式的前提下，用英文把答案写出来。

        d is a pointer to a function that takes two parameters：

               a reference to an int and
               a pointer to a function that takes two parameters：

                ■ a pointer to char and
                ■ a pointer to a pointer to a char

               and returns a pointer to a pointer to a char

        and returns a pointer to a pointer to void      

       解释几个单词：

•        pointer  是指针、function 是函数、takes two parameters 是俩个参数、reference 是引用、returns 是返回。
•        **  读作    a pointer to a pointe
•        &  读作    a reference
•       (*)  读作    a pointer to a function

        OK，您可以试着念一遍，再翻译一遍。

        那么，这份英文答案是怎么写出来的 ？

          直接读，找到名字： d (未定义的标识符)，d 不是 C/C++ 自带的关键字。

          先往右看，是 " ) "，看到 " ) " 右边的 (int &, char **(*) (char *, char **))，显然 int & 和 char **(*) (...) 是 d 的俩个函数参数；

          第二个函数参数 char **(*) (...) 还有俩个函数参数，char **(*) (...) 返回类型是 char **。

          遇到括号就调转方向 ，返回类型就是 void ** ，翻译为英文如上所示了。

 

---

 是不是觉得直接读，有点困难呢，这里我给您支个招 ！！

        C/C++ 中，复杂声明就是由各种声明嵌套而成的，有人从 C/C++ 标准的声明规定中归纳出一个法则。

        C/C++ 标准的声明，是用来解决如何创建一个声明的，而这个法则就是用来如何辨识一个声明的，从嵌套的角度来说，俩种会逆。

 

        这个法则叫 “右左法则”，首先从最里面的圆括号的未定义的标识符为起点，而后往右看，再往左看；

                                                每当遇到圆括号时，就调转阅读方向；

                                                如果圆括号里面的内容被解析完了，就跳出圆括号，重复这个过程直到整个声明结束。

 

---

          写这个：int *(*(*fun) (int *)) [10] ，[fun] 是 最里面的圆括号的未定义的标识符。

•        fun 和 * 结合，就是一个指针；
•        fun 和 () 结合，就是一个函数；
•        fun 和 [] 结合，就是一个数组；

          建议随文字，画出分析过程：

              使用 “右左法则”，以 [ fun ] 为起点，向右看就遇到括号 " ) "，遇到括号就调转方向，从右变左，看到 " * "。

•               int * ( * (*fun) (int *) ) [10] 

              组成了 [ *fun ]，是一个指针，继续往左看，遇到括号 " ( "，调转方向，从左变右，看到了另外的括号 " ( " ，说明 *fun 这个指针指向的是一个函数，这个函数的参数是 int * 也就是整型指针，再次调转方向，从右变左，看到一个 " * "，说明该指针所指的函数的返回值又是一个指针。

•         int *( *(*fun) (int *) ) [10] 

               继续向左看，遇到括号 " ( "，调转方向，从左变右，又看到了括号 " ) "，至此内部的括号全部看完，把看完的当成一个整体后，您应该会觉得很简单了。

•         int *( *(*fun) (int *) ) [10] 

整理一下思路，这个声明可以这样说：

                fun 是一个指针，该指针指向的是一个函数，该函数有一个整型指针的参数且返回值仍是一个指针；其返回值的指针指向的是一个拥有 10 个整型元素的数组。               

 

推荐文章：《只需一招，彻底攻克C语言指针》。

其实变量的说明可以使用工具 ：Cdecl 。

// Cdecl 源代码
#include 
#include 
#include 
#include 
 
#define MAXTOKENS 100
#define MAXTOKENLEN 64
 
enum type_tag { IDENTIFIER, QUALIFIER, TYPE };
 
struct token 
{
	char type;
	char string[MAXTOKENLEN];
};
 
int top = -1;
struct token stack[MAXTOKENS];
struct token This;
 
#define pop stack[top--]
#define push(s) stack[++top] = s
 
/* figure out the identifier type */
enum type_tag classify_string(void)
{
	char *s = This.string;
	if (!strcmp(s, "const"))
	{
		strcpy(s, "read-only");
		return QUALIFIER;
	}
	if (!strcmp(s, "volatile"))
		return QUALIFIER;
	if (!strcmp(s, "void"))
		return TYPE;
	if (!strcmp(s, "char"))
		return TYPE;
	if (!strcmp(s, "signed"))
		return TYPE;
	if (!strcmp(s, "unsigned"))
		return TYPE;
	if (!strcmp(s, "short"))
		return TYPE;
	if (!strcmp(s, "int"))
		return TYPE;
	if (!strcmp(s, "long"))
		return TYPE;
	if (!strcmp(s, "float"))
		return TYPE;
	if (!strcmp(s, "double"))
		return TYPE;
	if (!strcmp(s, "struct"))
		return TYPE;
	if (!strcmp(s, "union"))
		return TYPE;
	if (!strcmp(s, "enum"))
		return TYPE;
	return IDENTIFIER;
}
 
/* read next token into "this" */
void gettoken(void)
{
	char *p = This.string;
 	
	/* read past any space */
	while ((*p = getchar()) == ' ');
 
	if (isalnum(*p))
	{
		/* it starts with A-Z, 0-9 read in identifier */
		while (isalnum(*++p = getchar()));
		ungetc(*p, stdin);
		*p = '\0';
		This.type = classify_string();
		return;
	}
    	
    if (*p == '&')
	{
		strcpy(This.string, "reference to");
		This.type = '&';
		return;
	}
	if (*p == '*')
	{
		strcpy(This.string, "pointer to");
		This.type = '*';
		return;
	}
	This.string[1] = '\0';
	This.type = *p;
	return;
}
 
/* the piece of code that understandeth all parsing */
void read_to_first_identifier()
{
	gettoken();
	while (This.type != IDENTIFIER )
	{
		push(This);
		gettoken();
	}
	printf("%s is ", This.string);
	gettoken();
}
 
void deal_with_arrays()
{
	while (This.type == '[')
	{
		printf("array ");
		gettoken(); /* a number or ']' */
		if (isdigit(This.string[0]))
		{
			printf("0..%d ", atoi(This.string) - 1);
			gettoken(); /* read the ']' */
		}
		gettoken(); /* read next past the ']' */
		printf("of ");
	}
}
 
void deal_with_function_args()
{
	while (This.type != ')')
	{
		gettoken();
	}
	gettoken();
	printf("function returning ");
}
 
void deal_with_pointers()
{
	while (stack[top].type == '*')
	{
		printf("%s ", pop.string);
	}
}
 
void deal_with_declarator()
{
	/* deal with possible array/function following identifier */
	switch (This.type)
	{
	case '[' : deal_with_arrays(); break;
	case '(' : deal_with_function_args();
	}
 
	deal_with_pointers();
 
	/* process tokens that we stacked while reading identifier */
	while (top >= 0)
	{
		if (stack[top].type == '(')
		{
			pop;
			gettoken(); /* read past ')' */
			deal_with_declarator();
		}
		else
		{
			printf("%s ", pop.string);
		}
	}
}
 
void printM( )
{
	/* put tokens on stack until we reach identifier */
	read_to_first_identifier();
	deal_with_declarator();
	printf("\n");
}

int main( )
{
	printM( );
	return 0;
}

 

输入： void **(*d) (int &, char **(*) (char *, char **) ) 

 

输入：int *(*(*fun) (int *)) [10]

 

再修改修改，还可以倒过来解析；原理主要是数据结构的栈。

Linux 安装 Cdecl：sudo apt-get install cdecl 。

 

 

---

使用指针的注意事项，安全操作指南有没有呢 ？

• 指针变量一定要初始化为 NULL，因为任何指针变量刚被创建时不会自动成为NULL指针，TA的缺省值是随机的，有时会干扰程序。

 

 

• 当指针指向的内存被释放掉时，要将指针的值设置为 NULL，因为 free() 只是释放掉了内存，并为改变指针的值。

       上图，释放内存后还让指针指向 NULL，为什么需要这么做呢 ？

       自己做个实验。

#include 
#include 

int main( )
{
	char *p;  // 未初始化
	printf(" 未初始化 p 的地址：%p\n\n", p);
	
	p = NULL; // 初始化
	printf(" 初始化 p 的地址：%p\n\n", p);
	
	p = (char *)malloc( 1<<10 );  // 申请空间
	if( NULL == p )
	    return -1;
	printf(" 申请空间后 p 的地址：%p\n\n", p);
	
	// 释放空间
	free(p);    
	printf(" 释放空间后 p 的地址：%p\n\n", p);
	
	// 释放空间后赋值为 NULL
	p = NULL;
	printf(" 释放空间后并赋值为 NULL，p 的地址：%p\n", p);
	return 0;
}

运行结果：

 发现 申请空间后的 p 、 释放空间后的 p 的内存地址是一样的。

 那为什么需要多此一举，释放空间后再把 p 赋值为 NULL。

 因为 free 掉了 p 后，0x7c20e30400 这块空间已经不是程序所有了，虽然 p 被释放后依然指向 0x7c20e30400；但是，如果我们再试图使用 p ，程序就会崩溃，因此最好赋值为 NULL，防止在写大型程序时不小心就引用导致错误。

 

 

---

单指针实现双指针的双链表

     记录在《双链表》的单链表代双链表，不重述了。

 

 

---

使用指针适合什么样的数据区间呢 ，为什么STL中所有算法的处理多是左闭右开区间[begin, end) ?

      我列出几点我认为的原因：

1.   语言方面，C 语言的数组相当于是左闭右开的，for( int i = 0; i < len; i++ )；
2.   代码方面，左闭右开用来表达各种操作和算法的边界会简洁清晰很多，具体参见《C陷阱与缺陷》；
3.   算法方面，像二分、快排，都是分治算法，一个左闭右开区间[x,y)，子区间可以分解为[x,y0),[y0,y1),[y1,y2)...[yn,y)，父子同构，天然适合分治实现；在整数范围内，如果非要写为左闭右闭区间，也是可以的。[x,y]分解的子区间为[x,y0-1],[y0,y1-1],[y1,y2-1]...[yn,y]。但是无论怎么分，总有一个区间和其他不同，划分偏左或偏右一个元素，划分是不整齐的。要打各种边界处理补丁来弥补；

         假设是全开或全闭，写代码的时候就会出问题。

         比如写二分法，区间为 [2,8]，左右区间为 [2,5]、[5,8]，5多了，算法的结果不准，有的人说可以这样写[2,5]、[6,8]，是可以，但是在二分的时候还要对数据做处理才能分区间，不感觉别扭么。

         C/C++ 的数组下标是 0 开始的，如果当时设计是从1开始，那么我们今天的可能是左开右闭了，比方说(0,5]、(5,10]，而不是现在的[0,5),[5,10)。