C语言基础进阶——指针详解
摘要：本博客将深入讲解C语言中的指针概念及其使用方法，帮助读者更好地理解和应用指针。
目录
引言
什么是指针？
指针的作用和优势
指针基础
指针的定义和声明
指针的初始化
指针的运算（地址运算、指针运算）
指针与数组
数组与指针的关系
数组名与指针的区别
指针与二维数组
指针与函数
函数参数传递（值传递、指针传递、引用传递）
函数返回指针
指针作为函数的返回值
动态内存分配
动态内存分配的概念和优势
malloc()函数的使用
内存泄漏和内存释放
指针与结构体
结构体指针的定义和使用
结构体指针作为函数参数和返回值
结构体指针与动态内存分配
常见指针问题与技巧
空指针和野指针
const关键字与指针
指针数组和数组指针
总结
引言
指针是C语言中一种重要的数据类型，它用于存储内存地址。简单来说，指针就是一个变量，但它不直接存储值，而是存储另一个变量的内存地址。
在计算机内存中，每个变量都有一个唯一的内存地址，指针就是用来保存这个地址的变量。通过指针，我们可以直接访问和操作内存中的数据，而不需要知道具体的变量名。如定义一个函数（sep），其功能为进行两个数的交换。
void sep(int m,int n)//定义一个有参无返回值的sep函数，进行两个数的交换
{
int sep;
sep = m;
m = n;
n = sep;
}上述代码，是初学者在学C时容易犯的一个错误，在函数中声明的形式参数（形参）是局部变量，它的作用域只能在这个函数中，即在这个函数中使用，当函数结束时，其所分配的地址就会被收回，故无法真正实现两个数交换，那么我们要如何操作才能实现两个数的函数功能，单纯的进行值交换是不可行的，那么我们交换这两个数的地址，能否到达目的，答案显然是可以的，故这个时候我们就需要依赖于指针。
故正确改进代码
void sep(int *m, int *n)
{
int sep; // 声明一个整型变量 sep
sep = *m; // 将指针 m 所指向的变量的值赋给 sep
*m = *n; // 将指针 n 所指向的变量的值赋给指针 m 所指向的变量
*n = sep; // 将 sep 的值赋给指针 n 所指向的变量
}
指针的作用和优势
通过指针，我们可以实现以下几个重要的操作：
取址（取得变量的地址）：使用取址运算符（&）可以获取变量的内存地址，将其赋值给指针变量。例如：
int num = 10;
int *ptr = # // 将num的地址赋值给指针ptr
解引用（访问指针指向的值）：使用解引用运算符（*）可以访问指针指向的值。例如：
int num = 10;
int *ptr = #
printf("%d", *ptr); // 输出指针ptr所指向的值（即num的值）
解引用操作将返回指针所指向的变量的值。
指针的运算：指针可以进行一些运算，如指针的加法、减法、比较等。这些运算通常用于遍历数组、访问动态分配的内存等场景。
指针在C语言中广泛应用于各种场景，如动态内存分配、函数参数传递、数组操作等。掌握指针的概念和使用方法对于理解和编写C语言程序非常重要。
指针基础
指针的定义和声明
在C语言中，可以使用星号（*）来定义和声明指针变量。语法如下：
数据类型 *指针变量名;
这里，数据类型是指针所指向的变量的类型，指针变量名是你给指针变量起的名称。例如，要声明一个指向整数的指针变量，可以这样写：
int *ptr; // 声明一个指向整数的指针变量ptr
在定义指针变量时，进行赋值，就叫做初始化
int a;
int *pre = &a; //类型 * 指针名 = 地址;即指针初始化请注意，星号（*）在声明指针变量时放在数据类型前面。
指针的初始化
另外，还可以将指针初始化为 NULL，表示指针不指向任何有效的内存地址。示例如下：
int *ptr = NULL; // 将指针ptr初始化为NULL
在使用指针之前，始终确保对其进行初始化，以避免访问未知的内存地址。
指针的运算（地址运算、指针运算）
地址运算：使用取址运算符（&）可以获取变量的地址。例如：&num 表示变量 num 的地址。
指针运算：指针变量可以进行一些运算，如加法、减法、比较等。这些运算通常用于遍历数组、访问动态分配的内存等场景。
加法运算：可以对指针进行加法运算，以便在内存中移动到相邻的位置。例如：
int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int *ptr = arr; // 指向数组arr的第一个元素的指针
ptr = ptr + 1; // 指针向后移动一个元素位置（即pre + i == pre + sizeof(指针类型)*i）
减法运算：可以对指针进行减法运算，以计算两个指针之间的距离（以元素为单位）。例如：
int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int *ptr1 = &arr[0]; // 指向数组arr的第一个元素的指针
int *ptr2 = &arr[3]; // 指向数组arr的第四个元素的指针
int distance = ptr2 - ptr1; // 计算两个指针之间的距离（以元素为单位）
比较运算：可以对指针进行比较运算，判断两个指针是否相等或大小关系。例如：
int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int *ptr1 = &arr[0];
int *ptr2 = &arr[2];
if (ptr1 == ptr2) {
// 指针相等
}
if (ptr1 < ptr2) {
// ptr1指向的位置在ptr2之前
}
注意指针也可以使用自增自减运算
int *pre;
pre++ //先取出指针pre的值，再进行加1(加一个指针类型的值)
++pre //先将指针pre进行加1，再进行运算指针运算在C语言中非常有用，特别是在处理数组和动态内存分配时。
指针与数组
指针与数组是在C语言中密切相关的概念，它们之间有一些关系和区别。
数组与指针的关系
在C语言中，数组名可以被解释为指向数组首元素的指针。也就是说，数组名可以被隐式地转换为指向数组第一个元素的指针。例如，对于数组 int a[5]，可以将 p 视为指向 a[0] 的指针。
另外，指针也可以用于访问数组元素。可以使用指针算术运算（如指针加法或指针减法）来遍历数组元素。例如，*(p + i) 可以用于访问数组 a 的第 i 个元素。
指针是一个变量，存储了一个内存地址，可以指向某个变量或数据结构的位置。
数组是一组相同类型的元素按照一定顺序排列的集合，可以通过下标访问和操作数组元素。
数组名与指针的区别
数组名是常量，不能被赋值。例如，arr = &some_var 是非法的。
指针是变量，可以被赋值。例如，int *ptr = &some_var 是合法的。
此外，数组名作为函数参数时，会被隐式地转换为指向数组首元素的指针。这意味着在函数中对数组的修改会影响到原始数组。
int *p,a[5];
p = a;
p + n == a + n//等价
//等价用法
a[n] == *(p+n) == *(a+n) == p[n]指针与二维数组
二维数组：二维数组中，每个元素是一个一维数组，在元素（一维数组）中，每个成员就是一个值
二维数组：
数据类型数组名[行][列]
行：有多少个一维数组
列：一维数组的元素个数
对于二维数组而言，数组名是整个二维数组的首地址，第零个元素的地址，二维数组的元素都是一维数组，即二维数组数组名表示其中元素，整个一维数组的地址。
int a[3][4];//声明一个三行四列的二维数组
a == &a[0];//a[0]是整个一维数组
//由于a表示整个元素的地址（一维数组的地址），所以进行指针运算时，+1 ，加上 整个一维数组大小
//a：&a[0],第零个一维数组的地址
//a+1：&a[1],第一个一维数组的地址
//a+2：&a[2],第二个一维数组的地址
//a[0]：表示二维数组的元素零，第零个一维数组，a[0]是一维数组的数组名，在这个一维数组的首地址
//a[0] == &a[0][0]
//a[0]+1 == &a[0][1]
//a[1]：第一个一维数组，也是这个一维数组的数组名（首地址）
//a[1] == &a[1][0]
//a[1]+1 == &a[1][1]
//注意：
//a+1，表示移动二维数组的一个元素(一维数组)大小
//a[0]+1，表示移动一维数组的一个元素（数据类型值）大小对于一维数组，可以使用指针来访问和操作数组元素，如上述所述。
对于多维数组，可以使用指针和指针的指针（或称为二级指针）来访问和操作数组元素。多维数组在内存中是按行优先（row-major）或列优先（column-major）的方式存储的，可以使用指针算术运算来遍历多维数组元素。
例如，对于二维数组 int a[3][4]，可以使用指针和指针的指针来访问和操作数组元素。例如，int *ptr = &a[0][0] 可以将指针 ptr 指向数组的首元素，然后可以使用指针算术运算来遍历二维数组的元素。
指针与函数
函数参数传递（值传递、指针传递、引用传递）
值传递：当使用值传递方式将参数传递给函数时，函数会创建参数的副本，并在函数内部使用副本进行操作。对参数的修改不会影响到原始变量。
指针传递：通过指针传递参数时，函数接收指针作为参数，并可以通过指针来访问和修改原始变量的值。这样可以实现在函数内部对原始变量的修改。
引用传递：在C++中引入了引用传递的概念，可以通过引用传递参数。引用传递类似于指针传递，但语法更简洁，可以直接操作原始变量，而无需使用指针解引用。
指针传递：
示例代码：
#include
void changeValue(int *ptr)
{
*ptr = 100; // 修改指针所指向的值
}
int main()
{
int num = 50;
printf("Before: %d\n", num);
changeValue(&num); // 传递指针
printf("After: %d\n", num);
return 0;
} 输出：
Before: 50
After: 100
在这个例子中，changeValue 函数接收一个指向 int 类型的指针 ptr，通过解引用指针来修改原始变量 num 的值。
函数返回指针
在C语言中，函数可以返回指针作为其返回值。这样的函数被称为指针返回函数。
指针返回函数可以用于返回指向动态分配内存的指针，或者返回指向函数内部静态变量的指针。返回的指针可以在函数外部使用，以访问和操作函数内部创建的数据。
示例代码：
#include
int* createArray(int size) {
int* arr = malloc(size * sizeof(int)); // 动态分配内存
for (int i = 0; i < size; i++) {
arr[i] = i + 1; // 初始化数组元素
}
return arr; // 返回指针
}
int main() {
int* ptr = createArray(5); // 接收返回的指针
for (int i = 0; i < 5; i++) {
printf("%d ", ptr[i]); // 访问指针指向的数组元素
}
free(ptr); // 释放内存
return 0;
}
输出：
1 2 3 4 5
在这个例子中，createArray 函数动态分配了一个大小为 size 的整数数组，并返回指向该数组的指针。在 main 函数中，我们接收返回的指针，并通过指针访问和打印数组的元素。最后，使用 free 函数释放了动态分配的内存。
指针作为函数的返回值
函数可以返回指针作为其返回值，这样的函数被称为指针返回函数。
指针返回函数可以用于返回指向动态分配内存的指针，或者返回指向函数内部静态变量的指针。返回的指针可以在函数外部使用，以访问和操作函数内部创建的数据。
示例代码：
#include
int* findMax(int* arr, int size) {
int* max = arr;
for (int i = 1; i < size; i++) {
if (arr[i] > *max) {
max = &arr[i];
}
}
return max;
}
int main() {
int numbers[] = {10, 5, 8, 12, 3};
int size = sizeof(numbers) / sizeof(numbers[0]);
int* maxPtr = findMax(numbers, size);
printf("Max value: %d\n", *maxPtr);
return 0;
}
输出：
Max value: 12
在这个例子中，findMax 函数接收一个整数数组和数组的大小，并返回指向数组中最大值的指针。在 main 函数中，我们接收返回的指针，并通过解引用指针来获取最大值。
这些示例代码展示了指针与函数的使用。指针传递允许函数修改原始变量的值，函数返回指针允许在函数外部访问和操作函数内部的数据。请注意，在实际使用中，需要谨慎处理指针的内存分配和释放，以避免内存泄漏和悬空指针的问题。
需要注意的是，在使用指针传递或返回指针的函数时，需要确保指针指向的内存有效，并在适当的时候进行内存的分配和释放，以避免内存泄漏和悬空指针的问题。
动态内存分配
动态内存分配的概念和优势
栈中变量，只要离开了变量的生命周期，变量就会由系统销毁释放
堆空间：有程序员在程序中，自己进行管理的空间，需要使用时进行申请，由自己进行释放销毁。空间的申请与释放都是由程序员在程序中指定，通过地址指针进行访问空间，根据指针的类型就按照对应类型进行访问，就叫做动态内存
动态内存分配的优势：
灵活性：动态内存分配允许根据程序的需要在运行时分配所需的内存空间。
内存利用率：可以动态地分配所需大小的内存，避免了静态分配可能造成的内存浪费。
数据结构的动态性：动态内存分配使得创建和操作动态数据结构（如链表、树等）变得更容易。
malloc()函数的使用
malloc() 函数用于在堆（heap）上分配指定大小的内存块。
它接收一个参数，即所需内存的字节数，并返回一个指向分配内存的指针。
如果分配成功，返回的指针指向连续的、未初始化的内存块。
示例代码：
int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));内存泄漏和内存释放
内存泄漏是指在动态内存分配后，没有正确释放已分配的内存，导致无法再次使用该内存，从而造成内存资源的浪费。内存泄漏可能会导致程序运行时内存消耗过大，最终导致程序崩溃或性能下降。
内存释放是指在不再需要使用动态分配的内存时，显式地将其释放，以便系统可以重新使用该内存。在C语言中，使用 free() 函数来释放动态分配的内存。例如：
free(ptr);
在释放内存后，应将指针设置为 NULL，以避免出现悬空指针的问题：
ptr = NULL;
正确管理动态内存分配是编程中的重要问题。确保在不再需要使用动态分配的内存时进行释放，避免内存泄漏，以提高程序的效率和稳定性。
指针与结构体
结构体指针的定义和使用
结构体指针是指向结构体变量的指针，可以通过指针来访问和修改结构体的成员。
定义结构体指针时，需要使用结构体类型名称和 * 运算符。
示例代码：
#include
struct Person {
char name[20];
int age;
};
int main() {
struct Person person1;
struct Person* ptr;
ptr = &person1; // 将指针指向结构体变量
// 通过指针访问结构体成员
printf("Enter name: ");
scanf("%s", ptr->name);
printf("Enter age: ");
scanf("%d", &(ptr->age));
// 打印结构体成员
printf("Name: %s\n", ptr->name);
printf("Age: %d\n", ptr->age);
return 0;
}
输出：
Enter name: John
Enter age: 25
Name: John
Age: 25
在这个例子中，我们定义了一个名为 Person 的结构体类型，并创建了一个结构体变量 person1。然后，我们定义了一个指向 Person 结构体的指针 ptr，并将其指向 person1。通过指针访问结构体成员时，使用 -> 运算符。
结构体指针作为函数参数和返回值
结构体指针可以作为函数的参数和返回值，以便在函数内部访问和操作结构体。
示例代码：
#include
struct Point {
int x;
int y;
};
//声明一个函数通过指针传入参数进行打印
void printPoint(struct Point* ptr) {
printf("x: %d, y: %d\n", ptr->x, ptr->y);
}
//构造一个结构体
struct Point* createPoint(int x, int y) {
struct Point* ptr = malloc(sizeof(struct Point));
ptr->x = x;
ptr->y = y;
return ptr;
}
int main() {
struct Point* p1 = createPoint(3, 4);
printPoint(p1);
free(p1);
return 0;
}
输出：
x: 3, y: 4
在这个例子中，我们定义了一个名为 Point 的结构体类型，并创建了一个函数 printPoint 来打印结构体的成员。函数 createPoint 动态分配了一个 Point 结构体，并返回指向该结构体的指针。在 main 函数中，我们创建了一个 Point 结构体指针 p1，并将其传递给 printPoint 函数进行打印。最后，我们使用 free 函数释放了动态分配的内存。
结构体指针与动态内存分配
输出：
Width: 5, Height: 3
在这个例子中，我们定义了一个名为 Rectangle 的结构体类型，并创建了一个函数 createRectangle 来动态分配一个 Rectangle 结构体，并返回指向该结构体的指针。在 main 函数中，我们创建了一个 Rectangle 结构体指针 rect，并通过 createRectangle 函数进行动态内存分配。最后，我们打印结构体的成员，并使用 free 函数释放了动态分配的内存。
结构体指针可以与动态内存分配一起使用，以便在运行时动态创建结构体对象。
示例代码：
#include
#include
struct Rectangle {
int width;
int height;
};
struct Rectangle* createRectangle(int width, int height) {
struct Rectangle* rect = malloc(sizeof(struct Rectangle));
rect->width = width;
rect->height = height;
return rect;
}
int main() {
struct Rectangle* rect = createRectangle(5, 3);
printf("Width: %d, Height: %d\n", rect->width, rect->height);
free(rect);
return 0;
}
结构体指针在C语言中非常有用，可以通过指针来访问和修改结构体的成员，还可以将结构体指针作为函数的参数和返回值，以便在函数内部操作结构体。结合动态内存分配，可以在运行时动态创建和管理结构体对象。记得在不再需要使用动态分配的内存时释放内存，以避免内存泄漏。
常见指针问题与技巧
空指针和野指针
空指针是指没有指向任何有效对象或函数的指针。在C语言中，可以使用宏定义 NULL 或直接使用整数常量 0 来表示空指针。
野指针是指指向未知或无效内存地址的指针。野指针可能是未初始化的指针、已释放的指针、或者指向非法内存的指针。使用野指针可能导致程序崩溃或产生不可预测的行为。
在使用指针之前，应始终将其初始化为 NULL，并在不再使用指针时将其设置为 NULL，以避免出现野指针的问题。
const关键字与指针
const关键字用于声明常量，可以应用于指针类型。
const 可以放在 * 前面表示指针指向的对象是常量，或者放在 * 后面表示指针本身是常量。
示例代码：
const int* ptr; // 指向常量的指针
int* const ptr; // 常量指针
const int* const ptr; // 常量指针指向常量
第一个示例中，ptr 是一个指向常量的指针，即不能通过 ptr 修改所指向的值，但可以通过其他方式修改该值。
第二个示例中，ptr 是一个常量指针，即指针本身是常量，不能指向其他内存地址，但可以通过 ptr 修改所指向的值。
第三个示例中，ptr 是一个常量指针指向常量，既不能通过 ptr 修改所指向的值，也不能将 ptr 指向其他内存地址。
指针数组和数组指针
指针数组是一个数组，其中的每个元素都是指针。每个指针可以指向不同的对象。
数组指针是一个指针，指向一个数组的首地址。它可以通过指针算术运算来访问数组的元素。
示例代码：
int* arr[5]; // 指针数组
int (*ptr)[5]; // 数组指针
在第一个示例中，arr 是一个包含5个元素的指针数组，每个元素都是指向int类型的指针。
在第二个示例中，ptr 是一个指向包含5个int类型元素的数组的指针。
指针在C语言中是一个强大且常用的工具，但也容易出现一些问题。要注意初始化指针并避免使用野指针，可以使用 NULL 来表示空指针。使用 const 关键字可以声明指向常量的指针或常量指针。指针数组和数组指针是不同的概念，分别表示数组的指针和指针的数组。理解这些概念并正确使用指针可以提高程序的可读性和健壮性。
总结
指针在C语言中具有广泛的应用场景，以下是一些常见的指针应用场景和注意事项：
应用场景：
动态内存分配：使用指针可以在运行时动态地分配和管理内存，例如使用 malloc()、calloc() 和 realloc() 函数来动态分配内存。
传递大型数据结构：通过传递指针而不是整个数据结构，可以减少函数调用的开销，提高程序的效率。
注意事项：
空指针和野指针：始终将指针初始化为NULL，并在不再使用指针时将其设置为NULL，以避免野指针的问题。
内存泄漏和释放：在动态内存分配后，必须记得释放内存，避免内存泄漏，使用 free() 函数释放动态分配的内存。
指针算术和越界访问：在使用指针进行算术运算时，要确保不越界访问数组或指向无效内存。
指针的生命周期：要确保指针指向的对象在指针使用期间保持有效，避免指针悬挂的问题
字符串操作：使用指针可以对字符串进行操作，例如拷贝、连接、比较等。
多维数组和矩阵：通过指针可以方便地处理多维数组和矩阵，以及进行动态分配和释放。