C语言指针(基础篇)

前言

      指针是C语言的灵魂，C语言因为指针而在众多语言中所向披靡，也使得C语言一直盛行到现在。因为指针的存在也使得C语言的可操作性极大提升，学好指针是十分必要的，下面将为大家来细致的讲解C语言中指针的知识点也是一些易混易错知识点。

一、指针与地址

1. 变量与内存

      C语言定义变量我想大家都很熟悉了，假如说我想定义一个整型变量 a 。

int a;

      其实要明确的一点是，我们在C语言中只要是定义的变量它都是存储在内存中的，不管是普通变量，结构体变量还是指针变量，都是存储在内存中的。在32位操作系统中，一个程序的内存有4G。当然这里所指的内存是虚拟内存。

2. 地址与指针

       在C语言中每块内存都是以字节为单位，每个内存都有一个编号，每一个编号都是以32位二进制数表示， 我们把这个编号就称之为地址，如下图所示。并且通过下图我们能够确定，每个地址的值都是唯一的。那么指针是用来干嘛的呢？其实指针就是用来存储地址的。

       其实通过上面的信息我们能够验算两个问题。
问题一： 为什么32位操作系统中，指针都是4字节?
      因为指针存储的是地址，而地址是一个32位二进制数，一个字节是8位二进制数，所以 32 / 8 = 4(字节)。
问题二： 为什么32位操作系统中，虚拟内存是4GB?
      因为每块内存的1字节，每个内存编号是32位二进制数表示，所以内存一共有 2^32 字节大小，换算下单位 2^32(Byte) = 4,294,967,296(Byte) = 4,194,304(KB) = 4,096(MB) = 4(GB)。

3. 常量、变量、内存、地址、指针的关系

       常量是存储在变量中，变量是存储在内存中的，每个内存都有一个编号，我们称这个编号为地址，指针就是用来存储地址的。 这句话大家一定要牢记。

      站在编译器的角度，假如定义一个字符类型的变量a，并对其赋值为10,其实编译器就会在内存中分配出一块内存，假如这块内存的地址是 0x12345678 ，那么这块内存里面存储的数值就是10, 同时这块内存就叫做a，通过 a 我们就能读取到内存里面存储的内容，通过取地址符&，我们就能得到这块内存的地址或者也可以说变量的地址，即 &a 的值为 0x12345678 。

二、指针的基础操作

1.大端模式与小端模式

      在介绍指针之前，需要先介绍以下大端模式和小端模式，大端模式和小端模式其实就是数据的存储方式不一样。像ARM，摩托罗拉，MIPS等采用的是大端模式的存储方式，像Intel等采用的就是小端模式。
大端模式：高地址存储数据的低位，低地址存储数据的高位。
小端模式：高地址存储数据的高位，低地址存储数据的低位。

      图解如上，假如变量a的地址是0x000000a1，那么对于大端模式，地址0x000000a1存储的是数值0x12；对于小端模式，地址0x000000a1存储的是数值0x78。

2. 指针的定义与初始化

2.1 指针的定义与初始化

指针的定义：

<存储类型>  <数据类型> *<变量名>

指针的初始化：

1.先定义，后初始化
<存储类型>  <数据类型> *<变量名>;
<变量名> = <地址>;

2.在定义时初始化
<存储类型>  <数据类型> *<变量名> = <地址>;

1. 存储类型：C语言的存储类型有4中，分别为 auto、static、 register、 extern。在一般情况下我们通常会对存储类型进行省略不写，但其实省略不写，就相当于存储类型就是 auto。
2. 数据类型：数据类型就是C语言的基本数据类型，像 int 、char、float 等等。
3. *号记得一定要写，*号和后面变量名结合，代表该变量名是一个指针变量。
4. 变量名：符合C语言标识符命名规格即可。

2.2 一个例子

int a = 10;
int *p = a;

p是一个指针变量，它里面存储的是一个地址。
*p在定义时是表示p是一个指针变量，在后面的运算中*p是一个值，存储的一个地址。
&p是一个常量，表示p所占用的内存地址。

2.3 指针的定义与初始化举例及图示

源代码：

#include 

int main()
{
    /*a是指针变量，b是int型变量*/
    /*a被定义时未初始化，此时a是野指针，a里面存储的值是编译器随机分配的，直接使用野指针会造成代码的不确定性*/
    int *a, b;   
    
    /*将指针变量a指向b的地址*/
    a = &b;

    /*对变量b的内存里面的内容写成10*/
    b = 10;

    /*取出指针变量里面的内容用取值运算符*号*/
    /*除了在定义时的*号+变量表示该变量是一个指针以外，在之后遇到的*号+变量都是表明是取出指针变量里面的内容的*/
    /*因为a是一个地址，所以用%p打印，又因为*a是一个值，是表示取出a中存储的地址的值，所以用%d打印*/
    printf("&a = %p, a = %p, *a = %d, &b = %p, b = %d\n", &a, a, *a, &b, b);

    return 0;
}

运行结果：

&a = 0061FE18, a = 0061FE14, *a = 10, &b = 0061FE14, b = 10

图示：

       如图所示，定义变量 b 的内容是10，b 的地址是 0x0061FE14，a 存储的是 b 的地址，所以 a 内存里面的内容就是b的地址值，所以 a 里面存储的数值为0x0061FE14，通过取值运算符，*a 表示的是取出a中存储的地址里面的内容，a中存储的地址是0x0061FE14，地址0x0061FE14中存储的值是 10，所以 *a 的值是10。

3. 指针的运算

       指针的运算其实本质上就是地址的运算。
例如：

char *a;
short *b;
int *c;

1. 算术运算：指针的算数运算的偏移是指针指向的类型的大小的偏移。
   如 +、-、++、-- 运算
   （1）a 是 char* 类型，说明指针变量 a 是指向字符变量 char , char占一个字节，所以 a+1 的地址指向a后面的第一块内存，假如 a 原本指向的地址是 0x00000010, 那么 a+1 指向的地址是 0x00000011，a-1 指向的地址是 0x0000000f。
   （2）b是 short* 类型，说明指针变量 b 是指向短整型变量 short , short占两个字节，所以 b+1 的地址指向b后面的第二块内存，假如b原本指向的地址是 0x00000010, 那么 b+1 指向的地址是 0x00000012，b-1 指向的地址是 0x0000000e。
   （2）c是 int* 类型，说明指针变量 c 是指向整型变量 int, int占四个字节，所以 c+1 的地址指向c后面的第四块内存，假如c原本指向的地址是 0x00000010, 那么 c+1 指向的地址是 0x00000014，c-1 指向的地址是 0x0000000c。
2. 关系运算：（如 >、<、>=、<=、==、!=）
   比如定义两个整型指针变量 int *a, *b; 假如 a > b 说明 a 的内存中存放的地址比 b 的内存中存放的地址值要大。虽然不同类型的指针变量也可以比较大小，但没有实际意义。
3. 赋值运算：（如 =、+=、-=）
   比如定义一个 int *a; 后续不管对指针变量 a 赋值成什么，在 a 看来这个值就是一个地址，通过 *a 可以得到 a 中存储的地址中的内容。

4. 示例演示

源代码：

#include 

int main()
{
    char a = 10;
    int b = 20;

    char *pa = &a;
    int *pb = &b;

    /*通过修改指针间接修改变量a的内容,通过修改变量，指针获取的值也会发生变化*/
    *pa = 11;
    b = 22;

    /* *(&b)通过地址运算符先取出b的内存地址，然后通过取值运算符取出地址里面的值，也就是 *(&b) 和 b 这两种取值的方式是完全等价的*/
    printf("a = %d, *pb = %d, *(&b) = %d\n", a, *pb, *(&b));

    /*将字符指针指向整型变量*/
    /*22的二进制数是0x00000016, 如果打印结果是0x16，那么该机器是小端模式，如果打印结果是0x00，那么该机器是大端模式*/
    pa = &b;

    printf("*pa = %#x\n", *pa);

    return 0;
}

运行结果：

a = 11, *pb = 22, *(&b) = 22
*pa = 0x16

三、二级指针

       我们知道一级指针是用来存储变量的地址的，那么一级指针变量其实也是个变量，那么它同样的也应该有他的地址，==存储普通变量地址的变量我们称之为一级指针变量，存储一级指针变量地址的变量我们就称之为二级指针变量。==依此类推，存储二级指针变量地址的变量我们就称之为三级指针变量… ，尽管如此，但我们平时用到最多的还是一级指针和二级指针，更高级的指针在工作中用得可以说是很少了，并且，更高级的指针也使得代码的可读性变低，所以我们就不需要对其讨论，并且当掌握了二级指针，后面更高级别的指针都是以此类推的。
       其实二级指针的一些属性和一级指针基本差不多，我们直接通过一个实例来对其进行讲解，讲解都在代码中。
源代码：

#include 

int main()
{
    int a = 10;

    /*pa是一级指针变量，&pa是取出一级指针变量的地址，一级指针变量的地址要二级指针来存储*/
    int *pa = &a;

    /*定义二级指针变量ppa, 用来存储二级一级指针变量的地址*/
    int **ppa = &pa;

    /*
        *ppa 和 pa 是等效的，
        **ppa 和 *pa 是等效的，又因为 *pa 和 a 是等效的，所以 **ppa, *pa, a 是等效的
        
        1. &ppa 是二级指针变量的地址，需要用三级指针来存储。
        2. ppa 是存储了一级指针变量的地址，ppa 等价于 &pa, 所以 ppa是一个地址。
        3. *ppa 是一级指针变量里面的内容，一级指针变量里面的内容是普通变量的地址，所以 *ppa 和 pa 等价，所以 *ppa 也是一个地址
        4. **ppa 是一个值。
    */

    printf("&ppa = %p, ppa = %p, *ppa = %p, **ppa = %d, &pa = %p, pa = %p, *pa = %d, &a = %p, a = %d\n", 
                                                         &ppa, ppa, *ppa, **ppa, &pa, pa, *pa, &a, a);

    return 0;
}

运行结果：

&ppa = 0xbfc496ac, ppa = 0xbfc496a8, *ppa = 0xbfc496a4, **ppa = 10, &pa = 0xbfc496a8, pa = 0xbfc496a4, *pa = 10, &a = 0xbfc496a4, a = 10

图示：