C语言之深⼊理解指针(1)

1. 内存和地址

内存

我们知道计算机CPU（中央处理器）在处理数据的时候，需要的数据是在内存中读取的，处理后的数据也会放回内存中，在我们买电脑的时候，电脑上的内存是8GB/16gb/32gb等，那么这些内存空间如何高效的管理呢？

其实也是把内存划分为一个个的内存单元，每个内存单元的大小取1个字节。

计算机中常见的单位：

一个比特位可以存储一个2进制的位1或者0

bit - 比特位
byte - 字节
KB
MB
GB
TB
PB

1byte = 8bit
1KB = 1024byte
1MB = 1024KB
1GB = 1024MB
1TB = 1024GB
1PB = 1024TB

在计算机中我们把内存单元的编号称为地址。C语言给地址起了新的名字叫：指针

所以我们可以理解为：

内存单元的编号 == 地址 ==指针

如何理解编址

CPU访问内存中的某个字节空间，必须知道这个字节空间在内存的什么位置，而因为内存中字节很多，所以需要给内存进行编址。

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。

首先，必须理解，计算机内是有很多的硬件单元，而硬件单元是要互相协同工作的。所谓的协同，至少相互之间要能够进行数据传递。

但是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。

我们可以简答理解，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中=种含义，2根线就能表示4种含义，以此类推。32根地址线，就能表示2^32中含义，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

取地址操作符（&）

理解了内存和地址的关系，在C语言中创建变量其实就是向内存申请空间。

int main()
{
	int a = 10;
	return 0;
}

上述的代码就是创建了整型变量a，内存中申请了4个字节，用于存放整型10，其中内个字节都有地址。

如何得到a的地址呢？——操作符（&）-取地址操作符

int main()
{
	int a = 10;
	&a;//取出a的地址
	printf("%p\n", &a);
	return 0;
}

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。

指针变量

我们通过取地址操作符（&）拿到的地址是一个数值，比如：0000003933F5FB04，这个数值有时候也是需要存储起来的，方便后期再使用，那我们把这些地址值存放在哪里呢？答案是：指针变量中。

int main()
{
	int a = 10;
	int* pa = &a;//取出a的地址并存储到指针变量pa中
	return 0;
}

指针变量也是一种变量，这种变量就是用来存放地址的，存放在指针变量中的值都会理解为地址。

拆解指针类型

我们看到pa的类型是int*,那么该如何理解指针的类型呢？

int a = 10;
int* pa = &a;

这里pa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。

解引用操作符

我们将地址保存起来，未来是要使用的，那么怎么使用呢？

在C语言中，我们只要拿到了地址（指针），就可以通过地址（指针）找到地址（指针）指向的对象，这里必须学习一个操作符叫解引用操作符（*）。

int main()
{
	int a = 100;
	int* pa = &a;
	*pa = 0;
	printf("%d", *pa);//0
	return 0;
}

上面代码就使用了解引用操作符，*pa的意思是通过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。
其实这里是吧a的修改交给了pa来操作，这样对a的修改，就多了一种途径，写代码就会更加灵活，后期慢慢就能理解了。

指针变量的大小

前面的内容我们了解到，32位机器设有32根地址总线，每根地址线出来的电信号转换成数字信号后是1或者0，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。

如果指针变量是用来存放地址的，那么指针变量的大小就得是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，指针变量的大小就是8个字节。

int main()
{
	//指针变量的大小取决于地址的大小
	//32位平台下的地址是32个bit位（即4个字节）
	//64位平台下的地址是64个 bit位（即8个字节）

	printf("%zd\n", sizeof(char*));
	printf("%zd\n", sizeof(short*));
	printf("%zd\n", sizeof(double*));
	printf("%zd\n", sizeof(int*));
	return 0;
}

X64平台下

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

指针变量的大小和类型无关，只要指针变量，在同一个平台下，大小都是一样的，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

对比，下面2段代码，主要在调试时观察内存的变化。

//代码1
int main()
{
	int n = 0x11223344;
	int* pi = &n;
	*pi = 0;
	return 0;
}

//代码2
int main()
{
	int n = 0x11223344;
	char* pc = (char*)&n;
	*pc = 0;
	return 0;
}

在调试中我们可以看到，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。

指针±整数

先看一段代码，调试观察地址的变化。

int main()
{
	int n = 10;
	char* pc = (char*)&n;
	int* pi = &n;

	printf("%p\n",&n);
	printf("%p\n", pc);
	printf("%p\n", pc + 1);
	printf("%p\n", pi);
	printf("%p\n", pi + 1);
	return 0;
}

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。

总结：
指针的类型决定了指针向前或者向后走一步有多大（距离）。

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。

举例：

int main()
{
	int a = 10;
	int* pa = &a;
	char* pc = &a;
	return 0;
}

在上面的代码中，将一个int类型的变量的地址赋值给一个char类型的指针变量。编译器给出了一个警告，因为类型不兼容。而使用void类型就不会有这样的问题。

int main()
{
	int a = 10;
	void* pa = &a;
	void* pc = &a;

	*pa = 10;
	*pc = 0;
	return 0;
}

这里我们可以看到，void*类型的指针可以接受不同类型的地址，但是无法直接进行运算。

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，用来接受不同型数据的地址，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重类型的数据，之后会慢慢了解。

4. const修饰指针

const修饰变量

变量是可以修改的，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比纳灵加上一些限制，不能被修改，怎么做呢？这就是const的作用。

int main()
{
	int m = 10;
	m = 20;//m是可以修改的
	const int n = 10;
	n = 0;//n是不能修改的
	return 0;
	return 0;
}

上述代码中n是不能修改的，其实n本质是变量，只不过被const修饰后，在语法上加上了限制，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，虽然这样在打破语法规则。

int main()
{
	const n = 10;
	printf("n=%d\n", n);

	int* p = &n;
	*p = 20;
	printf("n=%d\n", n);
	return 0;
}

我们可以看到这里有个确实修改了，但是我们还是要思考一下，为什么n要被const修饰呢？就是为了不能被修改，如果p拿到的n的地址就能修改n,这样就打破了const的限制，这时不合理的，所以应该让p拿到的n的地址也不能修改n,那接下来怎么做呢？

const修饰指针变量

看下列代码，进行分析

void test1()
{
	int n = 10;
	int m = 20;
	int* p = &n;
	*p = 20;//n=20
	p = &m;//将m的地址取出来放在p变量中

}

void test2()
{
	int n = 10;
	int m = 20;
	const int* p = &n;
	*p = 20;//指针的内容不可被修改
	p = &m; //将m的地址取出来放在p变量中
}

void test3()
{
	int n = 10;
	int m = 20;
	int* const p = &n;
	*p = 20;//指针内容可以被修改
	p = &m;//p变量的内容无法修改

}

void test4()
{
	int n = 10;
	int m = 20;
	int const* const p = &n;
	*p = 20;//指针的内容不可被修改
	p = &m;//p变量的内容无法修改
}


int main()
{
	//测试无const修饰的情况
	test1();
	//测试const放在*的左边情况
	test2();
	//测试const放在*的右边情况
	test3();
	//测试*的左右两边都有const
	test4();
	return 0;
}

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 ± 整数
• 指针 - 指针
• 指针的关系运算

指针 ± 整数

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。

int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };

int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	//使用指针打印数组的内容
	int* p = &arr;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *p);
		*p++;
	}
	return 0;
}

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

}

指针 - 指针

int main()
{
	//指针-指针 = 地址-地址
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };

	//指针-指针的绝对值得到的是指针和指针之间的元素个数
	printf("%d\n", &arr[9] - &arr[0]);//9

	//指针-指针运算的前提条件是：两个指针指向同一块空间
	char ch[20] = { 0 };
	printf("%d\n", &ch[0] - &arr[9]);//err
	return 0;
}

#include 
//使用strlen时得包含头文件
int main()
{
	//strlen 求字符串的长度 - 统计的是\0前面出现的字符的个数
	int len = strlen("abc");//3
	printf("%d\n", len);
	return 0;
}

指针 - 指针的用处：

#include 
//使用strlen时得包含头文件

//方法1
int my_strlen(char* s)
{
	int count = 0;
	while (*s != '\0')
	{
		count++;
		s++;
	}
	return count;
}

int main()
{
	//strlen 求字符串的长度 - 统计的是\0前面出现的字符的个数
	int len = my_strlen("abc");//传递的是首字符的地址
	printf("%d\n", len);
	return 0;
}

//方法2
#include 
//使用strlen时得包含头文件

int my_strlen(char* s)
{
	char* start = s;
	while (*s != '\0')
	{
		s++;
	}
	return s - start;//指针-指针
}

int main()
{
	//strlen 求字符串的长度 - 统计的是\0前面出现的字符的个数
	int len = my_strlen("abc");//传递的是首字符的地址
	printf("%d\n", len);
	return 0;
}

补：

指针 - 指针
指针 + 整数 = 指针

日期 - 日期 = 中间的天数
日期 + 天数 = 日期
日期 - 天数 = 日期

指针的关系运算

其实就是指针比较大小（地址比较大小）

int main()
{
	int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);

	//使用while循环打印arr的内容
	int* p = &arr[0];
	//arr是数组名，数组名其实是数组首元素的地址，arr<==>arr[0]
	while (p < arr + sz)
	{
		printf("%d ", *p);
		p++;
	}
	return 0;
}

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、没有限制的）

野指针成因

1.指针未初始化

int main()
{
	int* p;//野指针
	*p = 20;//非法访问内存 
	printf("%p\n", p);
	return 0;
}

局部变量不初始化，变量的值是随机的！
全局变量如果不初始化，变量的值默认是0
静态变量不初始化，值默认也是0

2.指针越界访问

int main()
{
	int arr[5] = { 0 };
	int i = 0;
	int* p = arr;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*p = 1;
		p++;//当指针指向的范围超出数组arr的范围时，p就是野指针
	}
	return 0;
}

3.指针指向的空间释放

int *test()
{
	int a = 10;
	return &a;
}

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

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。

1. int a = 10;
   int *pa = &a;//这里明确知道pa应该指向a,所以拿a的地址初始化

2. 可能不知道给指针初始化谁的地址，直接一个NULL
   int *p = NULL;

int main()
{
	int* p = NULL;
	*p = 200;//读写该地址会报错
	return 0;
}

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地区，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是：只要NULL指针就不去访问，同事使用指针之前可以判断指针是否为NULL。

int main()
{
 int arr[10] = {1,2,3,4,5,67,7,8,9,10};
 int *p = &arr[0];
 for(i=0; i<10; i++)
 {
 *(p++) = i;
 }
 //此时p已经越界了，可以把p置为NULL
 p = NULL;
 //下次使⽤的时候，判断p不为NULL的时候再使⽤
 //...
 p = &arr[0];//重新让p获得地址
 if(p != NULL) //判断
 {
 //...
 }
 return 0; }

4.避免返回局部变量的地址

7. assert断言

assert.h头文件定义了宏assert( )吗，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。这个宏常常被称之为“断言”。

assert( p != NULL)

当assert结果为假时

#include 
int main()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	//……
	p = NULL;
	assert(p != NULL);
	return 0;
}

当运行出错时，会详细的告诉你哪一段出现了问题。

当assert结果为真时

代码正常执行，不会报错。

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。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。

#define NDEBUG
#include

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 NDEBUG指令（或者把它注释掉），再次编译，这样就诚信启用了assert（）语句。

assert（）的缺点是，因为引入了额外的检查，增加了程序的运行时间。

一般我们只可以在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。

8. 指针的使用和传址调用

函数的调用：

传址调用————————————————————传值调用

传址调用： 函数在调用的时候，传递的是地址。

传值调用：

int Add(int x, int y)
{
	return x + y;
}

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	//调用函数
	int ret = Add(a, b);//传值调用
	printf("%d\n", ret);
	return 0;
}

strlen的模拟实现

库函数strlen的功能是求字符串长度，统计的是字符串中\0之前的字符的个数。

函数原型如下：

size_t strlen ( const char * str );

#include

int main()
{
	char arr[] = "abcdef";
	size_t len = strlen(arr);
	printf("%zd\n", len);
	return 0;
}

参数str接受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，最终返回长度。

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，计数器就+1.这样直到\0就停止。

#include
size_t my_strlen(const char* s)
{
	int count = 0;
	while (*s != '\0')
	{
		count++;
		s++;
	}
	return count;
}

int main()
{
	char arr[] = "abcdef";
	size_t len = my_strlen(arr);//数组名是数组首元素的地址,传递的是数组首元素的地址。传址调用
	
	printf("%zd\n", len);
	return 0;
}

传值调用

例如：写⼀个函数，交换两个整型变量的值

一般的

int swap(int x, int y)
{
	int z = 0;
	z = x;
	x = y;
	y = z;
}

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	printf("a=%d b=%d\n", a, b);
	swap(a, b);
	printf("a=%d b=%d\n", a, b);
}

发现交换的值没有任何的变化。

经过调试，发现原因：

我们发现了main函数内部，创建了a和b，a的地址是0x00000042af79f5b4 {10} ，b的地址是0x00000042af79f5b4 {20}，在调用swap函数时，将a和b传递给了swap函数，在swap函数内部创建了形参x和形参y来接受a和b的值。

但是x的地址是0x00000042af79f590 {10}，y的地址是0x00000042af79f598 {20}，x和y确实接收到了a和b的值，不过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swap函数内部交换x和y的值，自然不会影响a和b,当swap函数调用结束后回到main函数，a和b没办法交换。swap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叫做传值调用

结论：
实参传递给形参的时候，形参是实参的一份临时拷贝！形参会单独创建一份临时空间来接受实参，对形参的修改不影响实参！

传址调用

现在需要解决的就是党调用swap2函数的时候，swap2函数内部操作的就是main函数中的a和b,直接将a和b的值交换了。那么就可以使用指针了，在main函数中将a和b的地址传递给swap2函数，swap2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。

void swap2(int* pa, int* pb)
{
	//*pa;//a
	//*pb;//b

	int z = 0;
	z = *pa;//z=a
	*pa = *pb;//a=b
	*pb = z;//b=z
}

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	printf("a=%d b=%d\n", a, b);
	swap2(&a, &b);//传址调用
	printf("a=%d b=%d\n", a, b);
}

我们看到实现swap2的方式，顺利完成了任务，这里调用swap2函数的时候是将变量的地址传递给了函数，这种函数调用的方式叫：传址调用。

传址调用，可以让函数和主函数之间建立真正的联系，在函数内部可以修改主函数中的变量；所以未来函数中只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。