C现代方法（第11章）笔记——指针

第11章 指针

——我记不清第十一条戒律是“你应该计算”还是“你不应该计算”了。

指针是C语言最重要——也是最常被误解——的特性之一。由于指针的重要性，本书将用3章的篇幅对其进行讨论。本章侧重于基础知识，而第12章和第17章则介绍指针的高级应用。

本章将从内存地址及其与指针变量的关系入手（11.1节），然后11.2节介绍取地址运算符和间接寻址运算符，11.3节探讨指针赋值的内容，11.4节说明给函数传递指针的方法，而11.5节则讨论从函数返回指针。

11.1 指针变量

理解指针的第一步是在机器级上观察指针表示的内容。大多数现代计算机将内存分割为字节（byte），每个字节可以存储8位的信息。

0 1 0 1 0 0 1 1

每个字节都有唯一的地址（address），用来和内存中的其他字节相区别。如果内存中有n个字节，那么可以把地址看作0~n-1的数。

地址    内容
 0    01010011

 1    01110101

 2    01110011
        ....
n-1   01000011

可执行程序由代码（原始C程序中与语句对应的机器指令）和数据（原始程序中的变量）两部分构成。程序中的每个变量占有一个或多个字节内存，把第一个字节的地址称为变量的地址。下图中，变量i占有地址为2000和2001的两个字节，所以变量i的地址是2000：

            i--------
地址  .... 2000  2001  ....
内容  .... xxxx  xxxx  ....

这就是指针的出处。虽然用数表示地址，但是地址的取值范围可能不同于整数的范围，所以一定不能用普通整型变量存储地址。但是，可以用特殊的指针变量（pointer variable）存储地址。在用指针变量p存储变量i的地址时，我们说p“指向”i。换句话说，指针就是地址，而指针变量就是存储地址的变量。

11.1.1 指针变量的声明

对指针变量的声明与对普通变量的声明基本一样，唯一的不同就是必须在指针变量名字前放置星号：

int *p;

上述声明说明p是指向int类型对象的指针变量。这里我们用术语对象来代替变量，是因为p可以指向不属于变量的内存区域（见第17章）。（注意，在第19章讨论程序设计时“对象”一词将有不同的含义。）

指针变量可以和其他变量一起出现在声明中：

int i, j, a[10], b[20], *p, *q; 

在这个例子中，i和j都是普通整型变量，a和b是整型数组，而p和q是指向整型对象的指针。

C语言要求每个指针变量只能指向一种特定类型（引用类型）的对象：

int *p;    /* points only to integers   */ 
double *q; /* points only to doubles  */ 
char *r;   /* points only to characters */ 

至于引用类型是什么类型则没有限制。事实上，指针变量甚至可以指向另一个指针，即指向指针的指针（17.6节）。

11.2 取地址运算符和间接寻址运算符

为使用指针，C语言提供了一对特殊设计的运算符。为了找到变量的地址，可以使用&（取地址）运算符。如果x是变量，那么&x就是x在内存中的地址。为了获得对指针所指向对象的访问，可以使用*（间接寻址）运算符。如果p是指针，那么*p表示p当前指向的对象。

11.2.1 取地址运算符

声明指针变量是为指针留出空间，但是并没有把它指向对象：

int *p;    /* points nowhere in particular */

在使用前初始化p是至关重要的。一种初始化指针变量的方法是使用&运算符把某个变量的地址赋给它，或者更常采用左值（4.2节）：

int i, *p; 
... 
p = &i;

通过把i的地址赋值给变量p的方法，上述语句把p指向了i。

在声明指针变量的同时对它进行初始化是可行的：

int i; 
int *p = &i; 

//甚至可以把i的声明和p的声明合并，但是需要首先声明i：
int i, *p = &i;

11.2.2 间接寻址运算符

一旦指针变量指向了对象，就可以使用*运算符访问存储在对象中的内容。例如，如果p指向i，那么可以显示出i的值，如下所示：

printf("%d\n", *p);
//printf函数将显示i的值，而不是i的地址。

习惯于数学思维的读者可能希望把*想象成&的逆运算。实际上，对变量使用&运算符产生指向变量的指针，而对指针使用*运算符则可以返回到原始变量：

j = *&i;  //等同于 j = i;

只要p指向i，*p就是i的别名。*p不仅拥有和i相同的值，而且对*p的改变也会改变i的值。（*p是左值，所以对它赋值是合法的。）

p = &i; 
i = 1; 

printf("%d\n", i);    /* prints 1 */ 
printf("%d\n", *p);   /* prints 1 */ 
*p = 2; 

printf("%d\n", i);    /* prints 2 */ 
printf("%d\n", *p);   /* prints 2 */ 

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请注意！不要把间接寻址运算符'*'用于未初始化的指针变量。如果指针变量p没有初始化，那么试图使用p的值会导致未定义的行为：

int *p; 
printf("%d", *p);  /*** WRONG ***/ 

/*
给*p赋值尤其危险。如果p恰好具有有效的内存地址，下面的赋值会试图修改存储在该地址的数据：
*/
int *p; 
*p = 1;  /*** WRONG ***/

如果上述赋值改变的内存单元属于该程序，那么可能会导致出乎意料的行为；如果改变的内存单元属于操作系统，那么很可能会导致系统崩溃。编译器可能会给出警告消息，告知p未初始化，所以请留意收到的警告消息。

11.3 指针赋值

C语言允许使用赋值运算符进行指针的复制，前提是两个指针具有相同的类型。假设i、j、p和q声明如下：

int i, j, *p, *q;

则语句p = &i;是指针赋值的实例，把i的地址复制给p。而q = p;这条语句是把p的内容（即i的地址）复制给q，效果是把q指向了p指向的地方。

现在p和q都指向了i，所以可以用*p或*q赋新的值的方法来改变i(任意数量的指针变量都可以指向同一对象)：

*p = 1;
*q = 2;

注意不要把q = p;和*q = *p搞混。第一条语句是指针赋值，而第二条语句不是。就如下面的例子：

p = &i; 
q = &j; 
i = 1; 

*q = *p;

赋值语句*q = *p;是把p指向的值（i的值）复制到q指向的对象（变量j）中。

11.4 指针作为参数

到目前为止，我们回避了一个十分重要的问题：指针对什么有益呢？因为C语言中指针有几种截然不同的应用，所以此问题没有唯一的答案。在本节中，我们将看到如何把指向变量的指针用作函数的参数。指针的其他应用将在11.5节、第12章和第17章讨论。

在9.3节中我们看到，因为C语言用值进行参数传递，所以在函数调用中用作实际参数的变量无法改变。当希望函数能够改变变量时，C语言的这种特性就很讨厌了。

指针提供了此问题的解决方法：不再传递变量x作为函数的实际参数，而是提供&x，即指向x的指针。声明相应的形式参数p为指针。调用函数时，p的值为&x，因此*p（p指向的对象）将是x的别名。函数体内*p的每次出现都将是对x的间接引用，而且函数既可以读取x也可以修改x。

为了用实例证明这种方法，下面通过把形式参数int_part和frac_part声明成指针的方法来修改decompose函数。现在decompose函数的定义形式如下：

void decompose(double x, long *int_part, double *frac_part) 
{ 
    *int_part = (long) x; 
    *fract_part = x - *int_part; 
} 

decompose函数的原型既可以是

void decompose(double x, long *int_part, double *frac_part); 

也可以是

void decompose(double, long *, double *); 

以下列方式调用decompose函数：

decompose(3.14159, &i, &d); 

因为i和d前有取地址运算符&，所以decompose函数的实际参数是指向i和d的指针，而不是i和d的值。调用decompose函数时，把值3.14159复制到x中，把指向i的指针存储在int_part中，把指向d的指针存储在frac_part中。

decompose函数体内的第一个赋值把x的值转换为long类型，并且把此值存储在int_part指向的对象中。因为int_part指向i，所以赋值把值3放到i中。

第二个赋值把int_part指向的值（即i的值）取出，现在这个值是3。把此值转换为double类型，并且用x减去它，得到0.14159。然后把这个值存储在frac_part指向的对象中。

当decompose函数返回时，就像原来希望的那样，i和d将分别有值3和0.14159。

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用指针作为函数的实际参数实际上并不新鲜，从第2章开始就已经在scanf函数调用中使用了。思考下面的例子：

int i; 
... 
scanf("%d", &i); 

须把&放在i的前面以便给scanf函数传递指向i的指针，指针会告诉scanf函数把读取的值放在哪里。如果没有&运算符，传递给scanf函数的将是i的值。

虽然scanf函数的实际参数必须是指针，但并不总是需要&运算符。在下面的例子中，我们向scanf函数传递了一个指针变量：

int i, *p; 
... 
p = &i; 
scanf("%d", p);

既然p包含了i的地址，那么scanf函数将读入整数并且把它存储在i中。在调用中使用&运算符将是错误的：

scanf("%d", &p);  /*** WRONG ***/

//scanf函数读入整数并且把它存储在p中而不是i中。

请注意！！向函数传递需要的指针却失败了，这可能会产生严重的后果。假设我们在调用decompose函数时没有在i和d前面加上&运算符：

decompose (3.14159, i, d);

decompose函数期望第二个和第三个实际参数是指针，传入的却是i和d的值。decompose函数没有办法区分，所以它会把i和d的值当成指针来使用。当decompose函数把值存储到*int_part和*frac_part中时，它会修改未知的内存地址，而不是修改i和d。

如果已经提供了decompose函数的原型（当然，应该始终这样做），那么编译器将告诉我们实际参数的类型不对。然而，在scanf的例子中，编译器通常不会检查出传递指针失败，因此scanf函数特别容易出错。

11.4.1 找出数组中的最大元素和最小元素

为了说明如何在函数中传递指针，下面来看一个名为max_min的函数，该函数用于找出数组中的最大元素和最小元素。调用max_min函数时，将传递两个指向变量的指针；然后max_min函数把答案存储在这些变量中。max_min函数具有下列原型：

void max_min(int a[], int n, int *max, int *min); 

max_min函数的调用可以具有下列的形式：

max_min(b, N, &big, &small);

b是整型数组，而N是数组b中的元素数量。big和small是普通的整型变量。当max_min函数找到数组b中的最大元素时，通过给*max赋值的方法把值存储在big中。（因为max指向big，所以给*max赋值会修改big的值。）类似地，可以通过给*min赋值把b中最小元素的值存储在small中。

为了测试max_min函数，我们编写程序用来往数组中读入10个数，然后把数组传递给max_min函数，并且显示出结果，：

Enter 10 numbers: 34 82 49 102 7 94 23 11 50 31  
Largest: 102 
Smallest: 7

/*
maxmin.c
--Finds the largest and smallest elements in an array  
*/

#include  

#define N 10 

void max_min(int a[], int n, int *max, int *min); 

int main(void) 
{ 
    int b[N], i, big, small; 
    
    printf("Enter %d numbers: ", N); 
    for (i = 0; i < N; i++)  
        scanf("%d", &b[i]); 
    
    max_min(b, N, &big, &small); 
    
    printf("Largest: %d\n", big); 
    printf("Smallest: %d\n", small); 
    
    return 0; 
} 

void max_min(int a[], int n, int *max, int *min) 
{ 
    int i; 
    
    *max = *min = a[0]; 
    for (i = 1; i < n; i++) { 
        if(a[i] > *max) 
            *max = a[i]; 
        else if(a[i] < *min) 
            *min = a[i]; 
    } 
} 

11.4.2 用const保护参数

当调用函数并且把指向变量的指针作为参数传入时，通常会假设函数将修改变量（否则，为什么函数需要指针呢？）。例如，如果在程序中看到语句：f(&x);

大概是希望f改变x的值。但是，f也可能仅需要检查x的值而不是改变它的值。指针可能高效的原因是，如果变量需要大量的存储空间，那么传递变量的值会浪费时间和空间。

可以使用单词const来表明函数不会改变指针参数所指向的对象。const应放置在形式参数的声明中，后面紧跟着形式参数的类型说明：

void f(const int *p) 
{ 
   *p = 0;   /*** WRONG ***/
}  

这一用法表明p是指向“常整数”的指针。试图改变*p是编译器会检查的一种错误。

11.5 指针作为返回值

我们不仅可以为函数传递指针，而且还可以编写返回指针的函数。返回指针的函数是相对普遍的，第13章中将遇到几个。

当给定指向两个整数的指针时，下列函数返回指向两个整数中较大数的指针：

int *max(int *a, int *b) 
{ 
    if (*a > *b) 
        return a; 
    else 
        return b; 
} 

调用max函数时，用指向两个int类型变量的指针作为参数，并且把结果存储在一个指针变量中：

int *p, i, j; 
... 
p = max(&i, &j); 

调用max期间，*a是i的别名，而*b是j的别名。如果i的值大于j，那么max返回i的地址；否则，max返回j的地址。调用函数后，p或者指向i，或者指向j。

请注意!!永远不要返回指向自动局部变量的指针：

int *f(void) 
{ 
   int i; 
   ... 
   return &i; 
} 

一旦f返回，变量i就不存在了，所以指向变量i的指针将是无效的。有的编译器会在这种情况下给出类似“function returns address of local variable”的警告。

指针可以指向数组元素，而不仅仅是普通变量。设a为数组，则&a[i]是指向a中元素i的指针。当函数的参数中有数组时，返回一个指向数组中的某个元素的指针有时是挺有用的。

例如，下面的函数假定数组a有n个元素，并返回一个指向数组中间元素的指针：

int *find_middle(int a[], int n) { 
    return &a[n/2]; 
}

//第12章会详细讨论指针和数组的关系。

问与答

问1：指针总是和地址一样吗？

答：通常是，但不总是。考虑用字而不是字节划分内存的计算机。字可能包含36位、60位等。

当用字划分内存时，每个字都有一个地址。通常整数占一个字长度，所以指向整数的指针可以就是一个地址。但是，字可以存储多于一个的字符。例如，36位的字可以存储6个6位的字符，或者4个9位的字符。

由于这个原因，可能需要用不同于其他指针的格式存储指向字符的指针。指向字符的指针可以由地址（存储字符的字）加上一个小整数（字符在字内的位置）组成。

在一些计算机上，指针可能是“偏移量”而不完全是地址。例如，Intel x86 CPU（用于许多个人计算机）可以在多种模式下执行程序。最老的模式称为实模式（real mode），可以追溯到1978年的8086处理器。在这种模式下，地址有时用一个16位数（偏移量）表示，有时用两个16位数（段—偏移量对）表示。偏移量不是真正的内存地址，CPU必须把它和存储在专用寄存器中的段值结合起来。为了支持实模式，旧的C语言编译器通常提供两种指针：近指针（16位偏移量）和远指针（32位段—偏移量对）。这些编译器通常保留单词near和far作为非标准关键字，用于指针变量的声明。

问2：如果指针可以指向程序中的数据，那么使指针指向程序代码是否可能？

答：可能。17.7节将介绍指向函数的指针。

问3：声明int *p = &i;和语句p = &i;不一致。为什么在语句中p没有像其在声明中那样前面加*号呢？

答：造成困惑的根源在于，根据使用上下文的不同，C语言中的*号可以有多种含义。

在声明int *p = &i;中，*号不是间接寻址运算符，其作用是指明p的类型以便告知编译器p是一个指向int类型变量的指针；而在语句中出现时，*号（作为一元运算符使用时）会执行间接寻址。

语句*p = &i;是不正确的，因为它把i的地址赋给了p指向的对象，而不是p本身。

问4：有没有办法显示变量的地址？

答：任何指针（包括变量的地址）都可以通过调用printf函数并在格式串中使用转换说明%p来显示。详见22.3节。

问5：

void f(const int *p); 

这是说函数f不能修改p吗？

答：不是。这说明不能改变指针p指向的整数，但是并不阻止f改变p自身。

void f(const int *p) 
{ 
    int j; 
    *p = 0; /*** WRONG ***/ 
    p = &j; /* legal */ 
}

因为实际参数是值传递的，所以通过使指针指向其他地方的方法给p赋新值不会对函数外部产生任何影响。

问6：声明指针类型的形式参数时，像下面这样在参数名前面放置单词const是否合法？

void f(int * const p); 

答：是合法的。然而效果不同于把const放在p的类型前面。在11.4节中已经见过在p的类型前面放置const可以保护p指向的对象。在p的类型后面放置const可以保护p本身:

void f(int * const p) 
{ 
    int j; 
    *p = 0; /* legal */ 
    p = &j; /*** WRONG ***/ 
} 

这一特性很少用到。因为p仅仅是另一个指针（调用函数时的实际参数）的副本，所以极少有什么理由保护它。

更罕见的一种情况是需要同时保护p和它所指向的对象，这可以通过在p类型的前后都放置const来实现：

void f(const int * const p) 
{ 
    int j; 
    *p = 0; /*** WRONG ***/ 
    p = &j; /*** WRONG ***/ 
} 

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写在最后

本文是博主阅读《C语言程序设计：现代方法（第2版·修订版）》时所作笔记，日后会持续更新后续章节笔记。欢迎各位大佬阅读学习，如有疑问请及时联系指正，希望对各位有所帮助，Thank you very much！