C语言：指针（一）

P_M_P

修改于 2024-01-20 08:12:50

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修改于 2024-01-20 08:12:50

文章被收录于专栏：C语言 P_M_P学习笔记

1. 内存和地址

1.1 内存

首先讲一个生活中的例子：

每个学校都有宿舍，宿舍楼里面有很多寝室，每个寝室都有一个门牌号，假如你住在某个寝室里，那么其他人只需要知道了你所住寝室的门牌号，就能快速地找到你。

上述的例子也可以对应到计算机中来，

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，那么这些内存空间是如何进行高效管理的呢？

事实上，内存被划分为一个个的内存单元（对应这一个寝室），每个单元的大小取一个字节。

一个字节里面放八个比特位（相当于一个寝室里面住8个人），每个内存单元也都有一个编号（相当于门牌号），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，进而进行相关操作。

在生活中，门牌号也是地址的一部分，在计算机中，内存单元的编号也叫地址。C语言给地址也起了一个新的名字：指针。

我们大致可以理解为：

内存单元的编号==地址==指针

2 指针变量和地址

2.1 取地址操作符（&）

在C语言中创建变量其实就是向内存申请空间，

上述代码就是创建了整型变量a，内存中申请了四个字节，用于存放整数10，其中的每个字节都是有地址的。

那么要得到a的地址，就得使用一个操作符———取地址操作符（&）。

&a取出的是所占4个字节中地址较小的字节的地址。

虽然整型变量占四个字节，但是我们只要知道了第一个字节的地址，就能顺着找到另外三个字节的地址，从而访问得到数据。

2.2 指针变量和解引用操作符（*）

2.2.1 指针变量

我们通过取地址操作得到了地址，比如0X006122A3，那么为了将这个数值存储起来，我们可以创建一个指针变量。

#include<stdio.h>
int main()
{
    int a=10;
    int* pa=&a;//取出a的地址，存放到指针变量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。

2.2.2 指针类型

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

上面代码中，pa的类型是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。

2.2.3 解引用操作符

我们拿到了地址（指针），就可以通过地址（指针）找到地址（指针）指向的对象，这里需要用到一个操作符——解引用操作符（*）。

#include<stdio.h>
int main()
{
	int a = 10;
	int* pa = &a;
	*pa = 0;
	printf("%d", a);
	return 0;
}

上述代码中*pa的意识就是通过pa存放的地址，找到指向的空间，*pa其实就是a变量，所有*pa=0这个操作其实就是把a的值改成了0。

2.3 指针变量的大小

对于计算机而言，32位的机器假设有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进制序列当作一个地址，那么一个地址就是32个比特位，需要四个字节才能存储。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位的机器，假设有64根地址总线，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。

#include<stdio.h>
//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（4个字节）
//64位平台下地址是64个bit位（8个字节）
int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(int*));
	printf("%zd\n", sizeof(short*));
	printf("%zd\n", sizeof(char*));
	printf("%zd\n", sizeof(double*));
	return 0;
}

注：指针变量的大小和类型无关，只要指针类型的变量，在相同平台下，大小都是相同的。

3. 指针变量类型的意义

3.1 指针的解引用

对比下面两端代码，调试时观察内存的变化。

//代码1
#include<stdio.h>
int main()
{
	int a = 0x12345678;
	int* pa = &a;
	*pa = 0;
	return 0;
}

//代码2
#include<stdio.h>
int main()
{
	int a = 0x12345678;
	char* pa = (char*)&a;
	*pa = 0;
	return 0;
}

通过调试我们可以发现，代码1会将a的4个字节全部改成0，但是代码2只是将a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+-整数

调试下面代码，观察地址的变化

#include<stdio.h>
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;
}

结果如下：

可以看出，char*类型的指针变量+1跳过一个字节，int*类型的指针变量+1跳过了4个字节。

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）。

4. const修饰指针

4.1 const修饰变量

变量的值是可以修改的，如果把变量的地址交给一个指针变量，通过指针变量也可以修改这个变量的值。但是如果希望加上一些限制，不能被修改，就需要用到const。

#include<stdio.h>
int main()
{
	int n = 10;
	n = 20;//n可以被修改
	const int m = 0;
	m = 20;//m不能被修改

	return 0;

但是如果我们通过n的地址来修改，就可以实现

#include<stdio.h>
int main()
{
	int n = 10;
	n = 20;//n可以被修改
	const int m = 0;
	int* p = &m;
	*p = 20;//m不能被修改
	printf("m=%d", m);

	return 0;
}

4.2 const修饰指针变量

#include <stdio.h>
//代码1
void test1()
{
     int n = 10;
    int m = 20;
     int *p = &n;
     *p = 20;//ok?
     p = &m; //ok?
}
void test2()
{
 //代码2
 int n = 10;
 int m = 20;
 const int* p = &n;
 *p = 20;//ok?
 p = &m; //ok?
}
void test3()
{
 int n = 10;
 int m = 20;
 int *const p = &n;
 *p = 20; //ok?
 p = &m; //ok?
}
void test4()
{
 int n = 10;
 int m = 20;
 int const * const p = &n;
 *p = 20; //ok?
 p = &m; //ok?
}
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：

·指针+-整数 ·指针-指针 ·指针的关系运算

5.1 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元素。

#include <stdio.h>
//指针+- 整数
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;
}

5.2 指针-指针

//指针-指针
#include <stdio.h>
int my_strlen(char *s)
{
     char *p = s;
     while(*p != '\0' )
     p++;
     return p-s;
}
int main()
{
     printf("%d\n", my_strlen("abc"));
     return 0;
}

5.3 指针的关系运算

//指针的关系运算
#include <stdio.h>
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]);
 while(p<arr+sz) //指针的⼤⼩⽐较
 {
 printf("%d ", *p);
 p++;
 }
 return 0;
}

6. 野指针

概念：野指针就是指向的位置是未知的（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

#include<stdio.h>
int main()
{
    int*p;
    *p=20;
    return 0;
}

2.指针访问越界

#include <stdio.h>
int main()
{
 int arr[10] = {0};
 int *p = &arr[0];
 int i = 0;
 for(i=0; i<=11; i++)
 {
 //当指针指向的范围超出数组arr的范围时，p就是野指针
 *(p++) = i;
 }
 return 0;
}

3.指针指向的空间释放

函数中创建的局部变量，在调用完函数之后会销毁

#include <stdio.h>
int* test()
{
 int n = 100;
 return &n;
}
int main()
{
 int*p = test();
 printf("%d\n", *p);
 return 0;
}

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，就给指针直接赋值，如果不知道指针指向哪里，就给指针赋值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。

#ifndef NULL #ifdef __cplusplus #define NULL 0 #else #define NULL ((void *)0) #endif #endif

初始化如下：

#include <stdio.h>
int main()
{
 int num = 10;
 int*p1 = &num;
 int*p2 = NULL;
 
 return 0;
}

6.2.2 防止指针越界

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。

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;
}

6.2.4 避免返回局部变量地址

参照野指针成因的第三个例子

7. 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”。

assert(p!=NULL)

当代码运行到这一行语句时，验证变量p是由等于NULL。

如果p不等于NULL，程序继续运行，否则终止运行，并且给出报错信息。

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 <assert.h>

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。

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

8.1 传址调用

思考：如何写一个函数，交换两个整型变量的值？

我们可能写出下面这种代码，运行后观察结果

#include <stdio.h>
void Swap1(int x, int y)
{
 int tmp = x;
 x = y;
 y = tmp;
}
int main()
{
 int a = 0;
 int b = 0;
 scanf("%d %d", &a, &b);
 printf("交换前：a=%d b=%d\n", a, b);
 Swap1(a, b);
 printf("交换后：a=%d b=%d\n", a, b);
 return 0;
}

发现a和b的值并没有发生交换，

那么正确的代码应该是怎样的呢？

#include <stdio.h>
void Swap2(int*px, int*py)
{
 int tmp = 0;
 tmp = *px;
 *px = *py;
 *py = tmp;
}
int main()
{
 int a = 0;
 int b = 0;
 scanf("%d %d", &a, &b);
 printf("交换前：a=%d b=%d\n", a, b);
 Swap2(&a, &b);
 printf("交换后：a=%d b=%d\n", a, b);
 return 0;
}