c语言：初识指针

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CPU与内存协同工作

访问内存中的“房间”

基础数据类型怎样居住“房间”

取地址运算符 &

声明指针类型的变量

定义

指针类型

空间大小

小结 

 使用指针

取值运算符 *

指针类型的大小

强制转换指针类型

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CPU与内存协同工作

以整型加法为例，我们来看看在计算机内部，CPU（中央处理器）是如何配合其他硬件进行计算的。

CPU由三部分构成：

1. 算术、逻辑单元：对数据执行运算(例如加法、减法)的电路。
2. 控制单元：协调机器活动的电路。
3. 寄存器组 ：数据临时存储。

然而，寄存器能够存储的信息量很少，仅仅是当前工作所必要的。话说鱼的记忆只有7秒，CPU的记忆恐怕是更短。总不能，CPU做一步操作，就把上一步操作的结果给忘了吧。

因此，我们需要内存来配合CPU进行数据操作

数据几乎都存储在内存上，仅有当前正在处理的数据，才放到CPU的寄存器组上，等待CPU进行计算。

CPU将数据计算完毕后，再存储到内存中。数据通过数据总线，在CPU和内存上进行传输。

接下来，我们来看看，将两个数据相加会经历哪些步骤。

1. 从内存中取出一个加数放到一个寄存器中。
2. 从内存取出另一个加数，放到另一个寄存器中。
3. 激活算术、逻辑单元中的加法电路，将前面两步的寄存器作为输入，用另一个寄存器存放结果。
4. 将结果存放到内存中。

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访问内存中的“房间”

只有正在被处理的数据才会被放到CPU的寄存器上，等待CPU进行计算，CPU将数据计算完毕后，再存储到内存中。所以，内存才是数据的大本营。

我们知道，计算机通过晶体管的开关状态来记录数据。它们通常8个编为一组，我们称之为字节。既然内存需要存储数据，内存上必然有非常多的这种8个开关组成的编组。

我们可以把这种编组看作居住数据的“房间”，而为了方便地找到这些“房间”，每个“房间”均有一个编号。第一个“房间”编号从0开始，此后依次加1。

我们把“房间号”，称之为内存地址。

就像生活中我们所说的：“AA大街，BB公寓，123房间一样”。只不过在内存中没有大街和公寓，仅需要编号即可表示地址了。

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基础数据类型怎样居住“房间”

 

以int为例，我们有以下两种表达方式：

1. 列举所有的房号：301，302，303，304。

2. 首房间及房间数：从301开始的4个房间。

对于int还好，仅需要4个“房间”。如果数据需要的“房间”很多，第一种方式需要保存更多的“房间号”。很显然第二种方式更为灵活。

计算机使用第二种方式记录一个数据对象在内存中的存储位置。

我们把第一个“房间”的“房间号”，称为这个数据对象的首地址。那么数据对象需要的房间数量，就是它所占用的存储空间大小。

因此，记录一个数据对象在内存中的存储位置，需要两个信息：

1. 数据对象的首地址。
2. 数据对象占用存储空间大小。 

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取地址运算符 &

现在我们认识一个新的运算符——取地址运算符&。

取地址运算符是一个一元运算符，写在一个数据对象的左边，可以获取一个数据对象的首地址和所需存储空间大小。

int n;
类型 pn = &n; // 获取数据对象n的首地址和所需空间大小

变量 pn ，存储了变量 n 的首地址和所需空间大小，那么通过变量 pn 可以在内存中找到变量 n 。所以，变量 pn 到底是什么类型呢？

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声明指针类型的变量

int n;
int* pn = &n;

char c;
char* pc = &c;

 

int* pn 声明一个保存了 int 类型的首地址和大小的变量。

char* pc 声明一个保存了 char 类型的首地址和大小的变量。

变量 pn 存储了变量 n 的首地址与大小，变量 pc 存储了变量 c 的首地址与大小。通过 pn 和 pc 可以在内存中找到变量 n 和 c 。

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定义

设一个数据对象为 x ，设另一个数据对象为 p 。 p 存储了 x 的首地址和所占空间大小。那么， p 称之为 x 的指针，或者说 p 指向 x 。

对于上面的代码：

pn 被称作 n 的指针，或者说 pn 指向 n 。

pc 被称作 c 的指针，或者说 pc 指向 c 。

int* pn; // 将空格放在变量旁

int *pn; // 将空格放在类型旁

int*pn; // 不用空格

另外，声明指针变量时，将空格放在变量旁或者将空格放在类型旁，甚至不用空格。这3种写法都是可以的。

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指针类型

现在让我们来探究一下，指针类型怎样保存下面两种信息。

1. 数据对象的首地址。
2. 数据对象占用存储空间大小。

#include 

int main()

{

int n1;

int n2;

int n3;

int n4;

int *pn1 = &n1;

int *pn2 = &n2;

int *pn3 = &n3;

int *pn4 = &n4;

printf("pn1 = %u\n", pn1);

printf("pn2 = %u\n", pn2);

printf("pn3 = %u\n", pn3);

printf("pn4 = %u\n", pn4);

return 0;

}

我们用 %u 尝试打印指针变量 pn1 到 pn4 ，看出它们确实为一些数值。

并且，数值之间均相差4。我们有理由怀疑，n1到n4它们相邻排布，而这些数值就是n1到n4的首地址。事实上，指针类型的值就是目标数据对象的首地址。 

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空间大小

既然指针类型的值已经被用于存储首地址了，那么目标对象的空间大小存储到哪呢？

#include
int main()

{
    int a;
    int* pa = &a;

    char b;
    char* pb = &b;

    pa = pb;
    return 0;

}

无法从char转换为int

我们尝试让 pn 赋值为 pc 试试看。

编译出现了错误，无法将 char* 转换为 int* 。

仅仅看变量的值， pn 与 pc 都是一个整型数据。那么它们理应是可以相互赋值的才对。但是，现在的编译结果告诉我们无法将 char* 转换为 int* 。

另外，既然变量值已经用于存储首地址了，那么空间大小怎么存储呢？

对于 char* 与 int* 它们的区别就只剩下类型不同且无法直接相互转换了。

我们推测：

指向int的指针类型标识了目标对象的空间大小为 sizeof(int) 。

指向char的指针类型标识了目标对象的空间大小为 sizeof(char) 。

没错，C语言中通过不同的指针类型来标记目标数据对象的空间大小。

int* pn = &n; 
char* pc = &c;

表达式 &n 的结果为一个类型为 int* 数据对象。它的值为变量 n 的首地址，类型 int* 标记变量 n 占用 sizeof(int) 字节。

表达式 &c 的结果为一个类型为 char* 数据对象。它的值为变量 c 的首地址，类型 char* 标记变量 c 占用 sizeof(char) 字节。

 如果尝试将 pc 赋值给 pn ，虽然首地址可以正确地从 pc 赋值给 pn 。但是指针类型的变化导致数据长度的变化，因此无法进行自动转换。

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小结 

指针类型通过值来保存目标数据对象的首地址，类型本身标记目标数据对象的空间大小。 

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 使用指针

 既然指针存储了一个数据对象的首地址与大小，并且通过这两个信息可以在内存中找到该数据对象。那么，我们肯定可以使用指针来访问所指向的数据对象。

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取值运算符 *

现在我们再认识一个新的运算符——取值运算符*。

取值运算符是一个一元运算符，写在一个指针的左边，可以根据指针中存储的首地址和空间大小找到目标数据对象。

虽然它和乘法运算符很像，但是，它是一个一元运算符，仅需要一个操作对象。

int n = 123;

int* pn = &n;

printf("%u\n", pn);      // 打印n的首地址

printf("%d\n", *pn);    // 根据`pn`中的首地址与大小，找到的数据对象的值

pn 变量内存储的值，即 n 的首地址。

*pn 表达式结果为，根据 pn 中的首地址与大小，找到的数据对象的值。即 n 的值。

除了通过指针访问所指向的数据对象，也可以通过指针修改所指向的数据对象。

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指针类型的大小

char和int存储的是数据范围不同的两种数据。char存储小一点的整数范围、int存储大一点的数据范围。所以，char可以占用小一点的空间，而int会占用大一些的空间。

但是， char* 与 int* 存储的均为数据对象的地址，因此它们所占用的空间是相同的。

不同的编译器或编译配置可以让编译器生成32位或64位的程序，有时候被称作x86或x64。

1. 32位程序可以访问从0到2的32次方的地址范围。
2. 64位程序可以访问从0到2的64次方的地址范围。

 

在visual studio中，你可以使用上图红框中的下拉列表，切换编译生成的程序是32位或64位。

指针类型必须拥有可以表达所有内存地址的能力。因此在32位程序中，指针类型占用4字节大小。64位程序中，指针类型占用8字节大小。

如果指针类型的大小为4字节，使用 %u 作为printf的占位符是合适的。但是指针类型的大小为8字节时， 使用 %u 有可能不能完全打印地址，你可以使用长度指示符，将长度加长到8字节，例如 %llu 。

 占位符 %p 是指针类型专用的占位符，32位或64位程序使用它均能保证打印的结果正确。不过，它通常是以十六进制显示的。

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强制转换指针类型

变量 pn 为指向int类型的指针。变量 pc 为指向char类型的指针。

虽然变量 pn 与 pc 不能在赋值时自动转换。但是，使用强制转换可以将 pn 转换为 char* 后赋值给 pc 。

赋值后， pn 与 pc 均存储了 n 的首地址，均打印出了同样的首地址。但是，C语言使用不同的指针类型标识目标对象的空间大小。

pn 为 int* 类型， *pn 表达式会从首地址开始处取 sizoef(int) 字节，将其转换成int类型作为表达式结果。因此，结果为1431655765。

pc 为 char* 类型， *pc 表达式会从首地址开始处取 sizoef(char) 字节，将其转换成char类型作为表达式结果。因此，结果为85。