深入解剖指针篇(1)

目录

基本概念

指针变量和地址

指针变量的大小

指针变量类型的意义

指针的解引用

指针+-整数

void* 指针

const修饰指针

const修饰变量

const修饰指针变量 

指针运算

指针-指针 

指针的关系运算 

野指针

野指针成因

指针未初始化

指针越界访问

指针指向的空间释放

如何规避野指针

assert断言


基本概念

当我们在写一个代码,创建一个变量时,计算机会默认把这个变量的值储存在它开辟的一片空间里。那么如果我们要使用这个值时,计算机是怎么能够准确无误地找到它呢?其实它在开辟这块空间时,就已经把这片空间给标记了,下一次再去找的时候就可以准确无误地找到它。用C语言讲,这个标记就是地址,或者更加形象地称为指针

指针变量和地址

数据存放在内存中地址就是指针,如果我们想要把这个地址给打印出来看到呢?我们应该首先,创建一个变量来接受这个地址,那么这个变量就是指针变量。顾名思义,指针变量就是用来存放指针(地址)的变量。

例如:深入解剖指针篇(1)_第1张图片

上面的例子中,就是创建了一个变量a,我现在想要知道这个变量的地址,那么我就要把这个地址取出来,那么怎么把这个地址取出来呢?C语言中给了我们一个操作符:取地址操作符(&)。上面我就是用这个操作符把a的地址取出来存放到一个指针变量中。这样的操作一般写成这样:

如果是char类型就是char* 变量名 = &变量名。

这个int*或者是char*其实这个int和char是说明pa指向的是整型或者字符型类型的对象。* 是在说明pa是指针变量。

我们既然把这个指针存起来,肯定就是要用到它,通过指针来找到这个指针所指向的对象,也就是最开始说的那个。

解引用操作符(*)

例如: 

深入解剖指针篇(1)_第2张图片

*pa 的意思就是通过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。

指针变量的大小

例如: 

深入解剖指针篇(1)_第3张图片

可以看到这几个指针类型的大小都是一样的,都是8个字节。其实指针变量的大小取决于地址的大小,32位平台下地址是32个bit位(即4个字节),64位平台下地址是64个bit位(即8个字节)。这也就意味着不管是什么类型的指针变量,在我们的编译器下输出的都是一样的,要么是4个字节,要么是8个字节。

指针变量类型的意义

指针变量的大小和类型无关,只要是指针变量,在同一个平台下,大小都是一样的,那为什么还要有各种各样的指针类型呢? 其实指针类型是有特殊意义的。

指针的解引用

例如: 

深入解剖指针篇(1)_第4张图片

深入解剖指针篇(1)_第5张图片

 调试我们可以看到,char*解引用的代码会将n的只是将n的一个字节全部改为0,但是int*解引用的代码会将n的四个字节都改为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。

指针+-整数

例如: 

深入解剖指针篇(1)_第6张图片

通过上面的代码,我们可以看到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。

公式:type* p,p+n 代表跳过sizeof(type)

结论:指针的类型决定了指针向前或者向后走一步有多大的距离(单位是字节)。

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+-整数和解引用的运算。因为不知道具体是什么类型,所以就不知道指针+-整数和解引用后具体访问几个字节。

例如:

深入解剖指针篇(1)_第7张图片

深入解剖指针篇(1)_第8张图片

上面的两份代码中,第一份因为将int*类型的地址赋值给char*,编译器会给出警告。而第二份代码我们用void*去接收时就没有这样的问题。

应用: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。 

const修饰指针

const修饰变量

变量之所以叫变量,是因为它的值是可以修改的。如果把变量的地址交给一个指针变量,通过指针变量的也可以修改这个变量。 但是如果我们希望一个变量加上一些限制,不能被修改,怎么做呢?这就需要const了。

代码演示:

深入解剖指针篇(1)_第9张图片

深入解剖指针篇(1)_第10张图片

这里我们就可以得出一个结论:const修饰的变量不能被改变了。a具有了常属性,但是本质上还是变量(常变量)。但是在C++ 中const修饰的变量就是常量。如果我们绕过n,使用n的地址,去修改n就能做到了。

代码演示:深入解剖指针篇(1)_第11张图片

const修饰指针变量 

代码演示:

深入解剖指针篇(1)_第12张图片

深入解剖指针篇(1)_第13张图片

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(*p),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(p)。

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

可能有小伙伴会有疑惑,如果const放在整个指针定义的前面呢?

例如:像这样:const int* p = &a;   其实这个和 int const * p = &a; 是一样的。

指针运算

指针的基本运算有三种,分别是:

• 指针+- 整数

• 指针-指针

• 指针的关系运算

第一种其实就是知道是什么类型的指针后,解引用后,能够访问几个字节。这个主要应用于数组。因为数组在内存中是连续存放的,只要知道第一个元素的地址,顺藤摸瓜就能找到后面的所有元素。但是这个只能在同一块空间使用。

#include 
int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	int* p = &arr[0];
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	int i = 0;
	for (i = 0; i < sz; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));//指针+- 整数
	}
	return 0;
}

代码演示:深入解剖指针篇(1)_第14张图片

指针-指针 

这个指针-指针可以理解为日期-日期,我们日期-日期就等于天数,这个指针-指针等于元素个数(绝对值),但是指针不能加指针,就好像日期不能加日期,结果不知道是啥?

#include 
int my_strlen(char* p)
{
	char* s = p;
	while (*s != '\0')
	{
		s++;
	}
	return s - p;//指针-指针
}
int main()
{
	char arr[] = "abcdef";
	int ret = my_strlen(arr);//模拟实现strlen函数求字符串
	printf("%d\n", ret);
	return 0;
}

代码:深入解剖指针篇(1)_第15张图片

指针的关系运算 

指针的关系运算就是指针与指针之间比较大小。

#include 
void Print(int* p, int sz)
{
	int* s = p + sz;
	while (p < s)//指针与指针比较大小
	{
		printf("%d ", *p);
		p++;
	}
}
int main()
{
	int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	Print(arr, sz);
	return 0;
}

代码演示:深入解剖指针篇(1)_第16张图片

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)。

野指针成因

指针未初始化

深入解剖指针篇(1)_第17张图片

所以我们只要是定义了一个变量就要顺手把它初始化。 

指针越界访问

#include 
int main()
{
	int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	int* p = &arr[0];
	int i = 0;
	for (i = 0; i <= sz; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));//当i=sz时,超出了数组arr的范围,这个就是野指针
	}
}

指针指向的空间释放

#include 
int* test()
{
	int n = 10;
	return &n;
}
int main()
{
	int* p = test();
	printf("%d\n", *p);
	return 0;
}

 深入解剖指针篇(1)_第18张图片

这个代码之所以输出10,是因为在test函数中,返回了一个局部变量n的地址。虽然在test函数执行完毕后,n的生命周期结束,但是由于p指针指向了n的地址,所以在main函数中仍然可以通过p指针访问到n的值。嗯……虽然这样解释了一遍,但是可能还是有小伙伴门不理解,就举个简单的例子吧。张三(n)去一个酒店订了一个302房间(&n),但是他那个房间只有一晚上的有效期(已经销毁了),他却叫他的朋友,第二天去住,他的朋友去了,找到了(&n),但是不能用了(用了就非法是野指针)这里它虽然拿到了n的值,但是却是非法访问。

如何规避野指针

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。

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。

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。

4.避免返回局部变量的地址

assert断言

assert.h 这个头文件定义了宏 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”。

assert(p != NULL)

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。

深入解剖指针篇(1)_第19张图片

这个就是不符合断言的结果。

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,输出一条错误信息,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。如果已经确认程序没有问题,不需要再做断言,就在 #include 语句的前面,定义⼀个宏 NDEBUG 。  然后,重新编译程序,编译器就会禁用文件中所有的 assert() 语句。如果程序又出现问题,可以移除这条 #define NDBUG 指令(或者把它注释掉),再次编译,这样就重新启用了 assert() 语句。深入解剖指针篇(1)_第20张图片

assert() 的缺点是,引入了额外的检查,增加了程序的运行时间。 ⼀般我们可以在 Debug 中使用,在 Release 版本中选择禁用 assert 就行,在 VS 这样的集成开发环境中,在 Release 版本中,直接就是优化掉了。这样在Debug版本写有利于程序员排查问题, 在 Release 版本不影响用户使用时程序的效率。

欲知后事,且听下回分解!

深入解剖指针篇(2)

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