怎样学习C语言——快速上手C语言系列之—什么是指针

指针对于C来说太重要。然而，想要全面理解指针，除了要对C语言有熟练的掌握外，还要有计算机硬件以及操作系统等方方面面的基本知识。所以本文尽可能的通过一篇文章完全讲解指针。

一，为什么需要指针？

指针解决了一些编程中基本的问题。

✅指针的使用使得不同区域的代码可以轻易的共享内存数据。当然小伙伴们也可以通过数据的复制达到相同的效果，但是这样往往效率不太好。

因为诸如结构体等大型数据，占用的字节数多，复制很消耗性能。

但使用指针就可以很好的避免这个问题，因为任何类型的指针占用的字节数都是一样的（根据平台不同，有4字节或者8字节或者其他可能）。

✅指针使得一些复杂的链接性的数据结构的构建成为可能，比如链表，链式二叉树等等。

✅有些操作必须使用指针。如操作申请的堆内存。

还有：C语言中的一切函数调用中，值传递都是“按值传递”的。

如果我们要在函数中修改被传递过来的对象，就必须通过这个对象的指针来完成。

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二，计算机是如何从内存中进行取指的？

计算机的总线可以分为3种：数据总线，地址总线和控制总线。这里不对控制总线进行描述。数据总线用于进行数据信息传送。数据总线的位数一般与CPU的字长一致。

一般而言，数据总线的位数跟当前机器int值的长度相等。例如在16位机器上，int的长度是16bit，32位机器则是32bit。这个计算机一条指令最多能够读取或者存取的数据长度。大于这个值，计算机将进行多次访问。这也就是我们说的64位机器进行64位数据运算的效率比32位要高的原因，因为32位机要进行两次取指和运行，而64位机却只需要一次！

地址总线专门用于寻址，CPU通过该地址进行数据的访问，然后把处于该地址处的数据通过数据总线进行传送，传送的长度就是数据总线的位数。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，比如CPU总线长32位，其最大的直接寻址空间长232KB，也就是4G。

这也就是我们常说的32位CPU最大支持的内存上限为4G（当然，实际上支持不到这个值，因为一部分寻址空间会被映射到外部的一些IO设备和虚拟内存上。现在通过一些新的技术，可以使32位机支持4G以上内存，但这个不在这里的讨论范围内）。

一般而言，计算机的地址总线和数据总线的宽度是一样的，我们说32位的CPU，数据总线和地址总线的宽度都是32位。

计算机访问某个数据的时候，首先要通过地址总线传送数据存储或者读取的位置，然后在通过数据总线传送需要存储或者读取的数据。一般地，int整型的位数等于数据总线的宽度，指针的位数等于地址总线的宽度。

 

计算机的基本访问单元

 

学过C语言的人都知道，C语言的基本数据类型中，就属char的位数最小，是8位。我们可以认为计算机以8位，即1个字节为基本访问单元。小于一个字节的数据，必须通过位操作来进行访问。

 

内存访问方式

如图1所示，计算机在进行数据访问的时候，是以字节为基本单元进行访问的，所以可以认为，计算每次都是从第p个字节开始访问的。访问的长度将由编译器根据实际类型进行计算，这在后面将会进行讲述。

 

内存访问方式

 

想要了解更多，就去翻阅计算机组成原理和编译原理吧。

 

三，sizeof关键字

sizeof关键字是编译器用来计算某些类型的数据的长度的，以字节为基本单位。例如：

sizeof(char)=1;         sizeof(int)=4;

sizeof(Type)的值是在编译的时候就计算出来了的，可以认为这是一个常量！

指针是什么？

我们知道：C语言中的数组是指一类类型，数组具体区分为  int 类型数组，double类型数组,char数组 等等。

同样指针这个概念也泛指一类数据类型，int指针类型，double指针类型，char指针类型等等。

通常，我们用int类型保存一些整型的数据，如 int num = 97 ， 我们也会用char来存储字符：char ch = 'a'。

我们也必须知道：任何程序数据载入内存后，在内存都有他们的地址，这就是指针。

而为了保存一个数据在内存中的地址，我们就需要指针变量。

因此：指针是程序数据在内存中的地址，而指针变量是用来保存这些地址的变量。

 

在我个人的理解中，可以将指针理解成int整型，只不过它存放的数据是内存地址，而不是普通数据，我们通过这个地址值进行数据的访问，假设它的是p，意思就是该数据存放位置为内存的第p个字节。

当然，我们不能像对int类型的数据那样进行各种加减乘除操作，这是编译器不允许的，因为这样错是非常危险的！

图2就是对指针的描述，指针的值是数据存放地址，因此，我们说，指针指向数据的存放位置。

 

 

四，指针的长度

我们使用这样的方式来定义一个指针：

Type *p;

我们说p是指向type类型的指针，type可以是任意类型，除了可以是char,short, int, long等基本类型外，还可以是指针类型，例如int *, int **, 或者更多级的指针，也可是是结构体，类或者函数等。于是，我们说：

int * 是指向int类型的指针；

int **，也即(int *) *，是指向int *类型的指针，也就是指向指针的指针；

int ***，也即(int **) *，是指向int**类型的指针，也就是指向指针的指针的指针；

…我想你应该懂了

struct xxx *，是指向struct xxx类型的指针；

其实，说这么多，只是希望大家在看到指针的时候，不要被int ***这样的东西吓到，就像前面说的，指针就是指向某种类型的指针，我们只看最后一个*号，前面的只不过是type类型罢了。

细心一点的人应该发现了，在“什么是指针”这一小节当中，已经表明了：指针的长度跟CPU的位数相等，大部分的CPU是32位的，因此我们说，指针的长度是32bit，也就是4个字节！注意：任意指针的长度都是4个字节，不管是什么指针！（当然64位机自己去测一下，应该是8个字节吧。。。）

 于是：

Type *p;

izeof(p)的值是4，Type可以是任意类型，char,int, long, struct, class, int **…

以后大家看到什么sizeof(char*), sizeof(int *)，sizeof(xxx *)，不要理会，统统写4，只要是指针，长度就是4个字节，绝对不要被type类型迷惑！

五，为什么程序中的数据会有自己的地址？

弄清这个问题我们需要从操作系统的角度去认知内存。

电脑维修师傅眼中的内存是这样的：内存在物理上是由一组DRAM芯片组成的。

而作为一个程序员，我们不需要了解内存的物理结构，操作系统将RAM等硬件和软件结合起来，给程序员提供的一种对内存使用的抽象。

这种抽象机制使得程序使用的是虚拟存储器,而不是直接操作和使用真实存在的物理存储器。

所有的虚拟地址形成的集合就是虚拟地址空间。

在程序员眼中的内存应该是下面这样的。