深入了解指针（1）

 目录：
1.内存和地址

2.指针变量和地址

3.指针变量类型的意义

4.const修饰指针

5.指针运算

6.野指针

7.assert断言

8.指针的使用和传址调用

1.内存和地址

1.1内存

讲内存之前和地址之前，先抛出一个引子：

若有一家宾馆，这家宾馆有1000个客房，旅客入住时，若没有编号，其他人想找到旅客，需要搜素一个个客房，十分麻烦。但是有编号之后，事情就变得简单了，只需通过编号来寻找指定房间。

⼀楼：101，102，103...

⼆楼：201，202，203....

...

计算机中的CPU（中央处理器）在处理数据时，需要的数据是在内存中读取的。为了管理内存空间，把内存划分为一个个内存单元，每个内存单元的大小取1个字节。

Tips：计算机常见单位

1  bit - 比特位               1byte = 8bit

2  byte - 字节               1KB = 1024byte

3  KB                       1MB = 1024KB

4  MB                       4 1GB = 1024MB

5  GB                       5 1TB = 1024GB

6  TB                       6 1PB = 1024TB

7  PB

其中，每个内存单元，相当于⼀个学⽣宿舍，⼀个字节空间⾥⾯能放8个⽐特位，就好⽐同学们住的⼋⼈间，每个⼈是⼀个⽐特位。

每个内存单元也都有⼀个编号（这个编号就相当于宿舍房间的⻔牌号），有了这个内存单元的编号，CPU就可以快速找到⼀个内存空间。

⽣活中我们把⻔牌号也叫地址，在计算机中我们把内存单元的编号也称为地址。C语⾔中给地址起新的名字叫：指针。

所以我们可以理解为：

内存单元的编号==地址==指针

1.2 理解编址

计算机中的编址，并不是把每个字节的地址记录下来，而是通过硬件设计完成的。

硬件中的地址已经约定好了。

硬件与硬件之间是互相独立的，那么如何通信呢?答案很简单，用"线"连起来。而CPU和内存之间也是有大量的数据交互的，所以，两者必须也用线连起来。不过，我们今天关心一组线，叫做地址总线。

我们可简单理解，32位机器有32根地址总线每根线只有两态，表示0，1[电脉冲有无]，那么一根线，就能表示2种含义，2根线就能表示4种含义，依次类推。32根地址线，就能表示2^32种含义，每一种含义都代表一个地址。

地址信息被下达给内存，在内存上，就可以找到该地址对应的数据，将数据在通过数据总线传入CPU内寄存器。

2.指针变量和地址

2.1取地址操作符（&）

回到C语言中，创建变量就是向内存申请空间，比如：

其中a向内存申请了四个字节，每个字节都有对应的地址如下：

那我们如何得到a的地址呢？。

这里就得学习一个操作符（&）--取地址操作符

取出的地址按照我们所说应是a所占4个字节中地址较小的字节地址

即是0x005CFB8。

虽然整型变量占用4个字节，我们只要知道了第一个字节地址，顺藤摸瓜访问到4个字节的数据也是可行的。

2.2指针变量和解引用操作符

2.2.1 指针变量

我们通过取地址拿到的一个数值，将会存放在指针变量中，方便之后的使用。

指针变量也是一种变量，是用来存放地址的，存放在指针变量中的值是地址编号。

2.2.2 如何拆解指针类型

上述创建一个整型a变量，承接a地址的pa指针，左边写的是int*，*是在说明pa是指针变量，而前面的int是在说明pa指向的是整型（int）类型的对象。创建一个字符变量指针写法如下：

2.2.3 解引用操作符

我们已经把白能量的地址保存起来，但是如何进行使用呢？

我们可以通过解引用（*）操作符地址所指向的对象

当我运行这段代码时，会发现打印出的结果是0

上面的在使用解引用操作符（*）时，*pa就是通过pa中存放的地址，找到指向的空间pa其实就是a变量了,所以*pa=0，这个操作符是把a改成了0.

2.3 指针变量的大小

前面我们了解到，32位机器假设有32根地址总线，那我们把32根地址线产生的2进制序列当做一个地址，那么一个地址就是32个bit位，需要4个字节才能存储。那么指针变的大小就得是4个字节的空间才可以。同理64位机器，假设有64根地址线，一个地址就是64个二进制位组成的二进制序列，存储起来就需要8个字节的空间，指针变的大小就是8个字节。

X86环境输出结果

X64环境输出结果

结论：

• 32位平台下地址是32个bit位，指针变量⼤⼩是4个字节

• 64位平台下地址是64个bit位，指针变量⼤⼩是8个字节

• 注意指针变量的⼤⼩和类型是⽆关的，只要指针类型的变量，在相同的平台下，⼤⼩都是相同的

3. 指针变量类型的意义

3.1 指针解引用

对比下面两段代码，可以在调试中观察其变化

调试我们可以看到，代码1会将n的4个字节全部改为0，但是代码2只是将n的第⼀个字节改为0。

结论：指针的类型决定了，对指针解引⽤的时候有多⼤的权限（⼀次能操作⼏个字节）。

⽐如： char* 的指针解引⽤就只能访问⼀个字节，⽽ int* 的指针的解引⽤就能访问四个字节。

3.2 指针加减整数

观察下述代码：

结果如下：

我们可以看出， char* 类型的指针变量+1跳过1个字节， int* 类型的指针变量+1跳过了4个字节。这就是指针变量的类型差异带来的变化。

结论：指针的类型决定了指针向前或者向后⾛⼀步有多⼤（距离）。

3.3 void*指针

在指针类型中有⼀种特殊的类型是 void* 类型的，可以理解为⽆具体类型的指针（或者叫泛型指针），这种类型的指针可以⽤来接受任意类型地址。但是也有局限性，void* 类型的指针不能直接进⾏指针的加减整数和解引⽤的运算。?

上述代码，有红色下划线，作出警告

那么 void* 类型的指针到底有什么⽤呢？

⼀般 void* 类型的指针是使⽤在函数参数的部分，⽤来接收不同类型数据的地址，这样的设计可以实现泛型编程的效果，使得⼀个函数来处理多种类型的数据。

4. const修饰指针

4.1 const修饰变量

变量是可以修改的，但是我们有时不想修改变量，该怎么办呢？const就可以解决问题。

上述代码中n是不能被修改的，其实n本质是变量，只不过被const修饰后，在语法上加了限制，只要我们在代码中对n就⾏修改，就不符合语法规则，就报错，致使没法直接修改n。

但是如果我们绕过n，使⽤n的地址，去修改n就能做到了，虽然这样做是在打破语法规则。

输出结果：

这里的n确实给我们修改了，那怎么做才能不通过指针被修改？

4.2 const修饰变量指针

可以尝试分析并运行这段代码：

结论：const修饰指针变量的时候?

• const如果放在*的左边，修饰的是指针指向的内容，保证指针指向的内容不能通过指针来改变。

但是指针变量本⾝的内容可变。

• const如果放在*的右边，修饰的是指针变量本⾝，保证了指针变量的内容不能修改，但是指针指向的内容，可以通过指针改变。

5. 指针运算

指针的基本运算有三种，分别是：

• 指针加减整数

• 指针-指针

• 指针的关系运算

5.1 指针加减整数

数组名本质上代表首元素的地址，并且在内存中是连续存放的，只要知道首元素地址，就可以找到后面的元素。

5.2 指针-指针

指针减去指针本质是两个地址的差值，下面通过模拟实现strlen函数

Tips：strlen函数的功能是求字符串字符的个数

5.3 指针关系运算

指针变量存放的就是一个整型数值，其比较就是比数值大小，可自行运行以下代码体会：

6. 野指针

概念：野指针就是指针指向的位置是不可知的（随机的、不正确的、没有明确限制的）

6.1 野指针成因

• （1）指针未初始化

• （2）指针越界访问

• （3）指针指向的空间释放

任何函数在代码运行后会自行销毁所占内存，此时内存还给操作系统进行再分配使用，若通过该p指针变量操作，会造成问题。

6.2 如何规避野指针

6.2.1 指针初始化

如果明确知道指针指向哪⾥就直接赋值地址，如果不知道指针应该指向哪⾥，可以给指针赋值NULL。NULL 是C语⾔中定义的⼀个标识符常量，值是0，0也是地址，这个地址是⽆法使⽤的，读写该地址

会报错。

初始化如下：

6.2.2 ⼩⼼指针越界

⼀个程序向内存申请了哪些空间，通过指针也就只能访问哪些空间不能超出范围访问，超出了就是越界访问。

6.2.3 指针变量不再使⽤时，及时置NULL，指针使⽤之前检查有效性

当指针变量指向⼀块区域的时候，我们可以通过指针访问该区域，后期不再使⽤这个指针访问空间的时候，我们可以把该指针置为NULL。因为约定俗成的⼀个规则就是：只要是NULL指针就不去访问，同时使⽤指针之前可以判断指针是否为NULL。

6.2.4 避免返回局部变量的地址

如造成野指针的第3个例⼦，不要返回局部变量的地址。

7. assert断⾔

assert.h 头⽂件定义了宏 assert() ，⽤于在运⾏时确保程序符合指定条件，如果不符合，就报错终⽌运⾏。这个宏常常被称为“断⾔”。

上⾯代码在程序运⾏到这⼀⾏语句时，验证变量 p 是否等于 NULL 。如果确实不等于 NULL ，程序继续运⾏，否则就会终⽌运⾏，并且给出报错信息提⽰。

assert() 宏接受⼀个表达式作为参数。如果该表达式为真（返回值⾮零）， assert() 不会产⽣任何作⽤，程序继续运⾏。如果该表达式为假（返回值为零）， assert() 就会报错，在标准错误流 stderr 中写⼊⼀条错误信息，显⽰没有通过的表达式，以及包含这个表达式的⽂件名和⾏号。

assert() 的使⽤对程序员是⾮常友好的，使⽤ assert() 有⼏个好处：它不仅能⾃动标识⽂件和出问题的⾏号，还有⼀种⽆需更改代码就能开启或关闭 assert() 的机制。

8. 指针的使⽤和传址调⽤

8.1 strlen的模拟实现

库函数strlen的功能是求字符串⻓度，统计的是字符串中 \0 之前的字符的个数。Strlen中参数是一个字符串的起始地址，然后开始统计字符串中 \0 之前的字符个数，最终返回⻓度。如果要模拟实现只要从起始地址开始向后逐个字符的遍历，只要不是 \0 字符，计数器+1，这样直到 \0 就停⽌。

可参考以下代码：

8.2 传值调⽤和传址调⽤

学习指针的⽬的是使⽤指针解决问题，那什么问题，⾮指针不可呢？

例如：写⼀个函数，交换两个整型变量的值⼀番思考后，我们可能写出这样的代码：

当我们运行代码时，结果如下:

好像并没有发生交换，为什么呢？调试一下看看：

我们发现在main函数内部，创建了a和b，在调⽤Swap1函数时，将a和b传递给了Swap1函数，在Swap1函数内部创建了形参x和y接收a和b的值，但是x的地址和a的地址不⼀样，y的地址和b的地址不⼀样，相当于x和y是独⽴的空间，那么在Swap1函数内部交换x和y的值，⾃然不会影响a和b，当Swap1函数调⽤结束后回到main函数，a和b的没法交换。Swap1函数在使⽤的时候，是把变量本⾝直接传递给了函数，这种调⽤函数的⽅式我们之前在函数的时候就知道了，这种叫传值调⽤。

结论：实参传递给形参的时候，形参会单独创建⼀份临时空间来接收实参，对形参的修改不影响实参。所以Swap是失败的了。

所以接下来就要使⽤指针了，在main函数中将a和b的地址传递给Swap函数，Swap函数⾥边通过地址间接的操作main函数中的a和b，并达到交换的效果就好了。

结果如下：

这样我们就实现了ab的交换，这种函数调用方式是传址调用。

传址调⽤，可以让函数和主调函数之间建⽴真正的联系，在函数内部可以修改主调函数中的变量；所以未来函数中只是需要主调函数中的变量值来实现计算，就可以采⽤传值调⽤。如果函数内部要修改主调函数中的变量的值，就需要传址调⽤。

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