【C语言】指针详解（一）

zxctscl

发布于 2024-10-01 08:02:41

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发布于 2024-10-01 08:02:41

1.内存与地址

大家对地址都不陌生，就像在生活中住酒店如何找到房间？那不就通过房卡上的房间号先确定楼层在确定房间。而这些房间号我们也叫地址。把内存划分为一个个内存单元，一个单元为一个字节，而计算机中都是以一个比特位存储一个2进制位，一个字节也就是8个比特位。这使得每个内存单元都有一个编号，通过这个编号，就能迅速找到这个内存空间。在C语言中给地址起了新名叫：指针

所以我们理解的：内存单元的编号 == 地址 == 指针

2.指针变量与地址

2.1 取地址操作符&

在C语言中创建变量其实就是在向内存申请空间。就像这样：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 5;
	return 0;
}

创建了整型变量a，内存中就申请了4个字节，用来存放整数5。每个字节都有地址，而上面申请的4个字节的地址分别在下面划红线四个。

如果我们想得到a的地址，就需要用到取地址操作符&。像下面这样就可，但值得注意的是我们打印的是地址用到的是**%p**。

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 5;
	&a;
	printf("%p\n", &a);
	return 0;
}

2.2 指针变量

我们通过取地址操作符&，得到的仅仅是地址，它就只是一个数值，有时候为了方便使用，我们把它用指针变量存储。

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 5;
	int* p = &a;
	return 0;
}

指针变量也是一种变量，不过是用来存放地址，存放在指针变量中的值被理解为指针。

2.3 指针类型

指针也是有类型的。就像前面所写的:

int a = 5;
int* p = &a;

在p的左边就是int*,*说明的是p为指针变量，而前面的int就是说明p指向的是整型（int）类型的对象。同理指向char型的指针变量就是char*。

char b = 'a';
char* p = &b;

2.4 解引用操作符

在C语言中，我们找到地址，就可以对地址所指向的对象，而此时所要用到的就是解引用操作符（*）。

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 5;
	int* p = &a;
	*p=0;
	return 0;
}

而在上面的代码中，原来a为5，我们通过指针拿到了a的地址，然后通过解引用操作*p=0将原来a的5改为0。

2.5 指针变量的大小

32位机器假设有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。

#include <stdio.h>
int main()
{
    printf("%zd\n", sizeof(char *));
	printf("%zd\n", sizeof(short *));
	printf("%zd\n", sizeof(int *));
	printf("%zd\n", sizeof(double *));
	printf("%zd\n", sizeof(float *));
	return 0;
}

32位平台下地址，指针变量大小是4个字节

64位平台下地址，指针变量大小是8个字节

结论：

32位平台下地址，指针变量大小是4个字节
64位平台下地址，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，只要是指针变量，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

3.1 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
#include <stdio.h>
int main()
{
	int n = 0x11223344;
	int* pi = &n;
	*pi = 0;
	return 0;
}

//代码2
#include <stdio.h>
int main()
{
	int n = 0x11223344;
	char* pc = (char*)&n;
	*pc = 0;
	return 0;
}

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。

4. const修饰指针

4.1 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变量加上一些限制，不能被修改，怎么做呢？这就是const的作用。

#include <stdio.h>
int main()
{
	int m = 0;
	m = 20;//m是可以修改的
	const int n = 0;
	n = 20;//n是不能被修改的
	return 0;
}

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。

#include <stdio.h>
int main()
{
	const int n = 0;
	printf("n = %d\n", n);
	int* p = &n;
	*p = 20;
	printf("n = %d\n", n);
	return 0;
}

可以看到这里一个确实修改了，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n的地址就能修改n，这样就打破了const的限制，这是不合理的，所以应该让p拿到n的地址也不能修改n，那接下来怎么做呢？

4.2 const修饰指针变量

测试无const修饰的情况：

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

测试const放在*的左边情况：

void test2()
{
	//代码2
	int n = 10;
	int m = 20;
	const int* p = &n;
	*p = 20;//ok?
	p = &m; //ok?
}

测试const放在*的右边情况

void test3()
{
	int n = 10;
	int m = 20;
	int* const p = &n;
	*p = 20; //ok?
	p = &m; //ok?
}

测试*的左右两边都有const

void test4()
{
	int n = 10;
	int m = 20;
	int const* const p = &n;
	*p = 20; //ok?
	p = &m; //ok?
}

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

5.1 指针±整数

数组在内存中是连续存储的，只要知道第一个元素的地址，后面的元素依次就能找到。

int arr[]={1,2,3,4,5};

而所对应的下标为0，1，2，3，4。

在对不同类型指针变量加减时结果不同，举个例子：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int n = 10;
	int* p1 = &n;
	char* p2 = &n;
	

	printf("p1=%p\n", p1);
	printf("p1+1=%p\n", p1+1);

	printf("p2=%p\n", p2);
	printf("p2+1=%p\n", p2+1);
	
	return 0;
}

在下面为结果 int类型的就跳过了4个字节， char类型就跳过1个字节

结论：指针的类型决定了，指针加减整数时，一次性跳过多少个字节。

5.2 指针-指针

在指针变量相同类型时，计算出的是中间间隔的个数。举个例子：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int arr[10] = { 0 };
	int* p1 = &arr[9];
	int* p2 = &arr[0];
	int ret = p1-p2 ;
	printf("%d\n", ret);
	return 0;
}

结果为

指针类型不同时不能进行指针的加减运算。

5.3 指针的运算关系

计算数组的元素个数时，我们使用了sizeof(数组名)，而sizeof中单独放数组名，这里的数组名表示整个数组，计算的是整个数组的大小，单位是字节。 sizeof(arr[0]）计算的是首元素的大小，单位也是字节。

#include <stdio.h>
int main()
{
    int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	printf("%d\n", sz);
	return 0;
}

数组名就是数组首元素(第一个元素)的地址是对的，但是有两个例外： 1.sizeof(数组名)，sizeof中单独放数组名，这里的数组名表示整个数组，计算的是整个数组的大小，单位是字节。 2.&数组名，这里的数组名表示整个数组，取出的是整个数组的地址。 除此之外，任何地方使用数组名，数组名都表示首元素的地址。

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

指针未初始化

#include <stdio.h>
int main()
{
	int* p;//局部变量指针未初始化，默认为随机值
	*p = 20;
	return 0;
}

指针越界访问

#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;
}

指针指向的空间释放

#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。

#ifdef __cplusplus
  #define NULL 0
#else
  #define NULL ((void *)0)
#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 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。我们可以把野指针想象成野狗，野狗放任不管是⾮常危险的，所以我们可以找一棵树把野狗拴起来，就相对安全了，给指针变量及时赋值为NULL，其实就类似把野狗栓前来，就是把野指针暂时管理起来。不过野狗即使拴起来我们也要绕着走，不能去挑逗野狗，有点危险；对于指针也是，在使用之前，我们也要判断是否为NULL，看看是不是被拴起来起来的野狗，如果是不能直接使用，如果不是我们再去使用。

#include <stdio.h>
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;
}

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”。

assert(p != NULL);

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<assert.h> 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

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

#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;
}

其实没产生交换的效果，这是为什么呢？调试一下，试试呢？

我们发现在main函数内部，创建了a和b，a的地址是0x00cffdd0，b的地址是0x00cffdc4，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的地址是0x00cffcec，y的地址是0x00cffcf0，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。

那怎么办呢？我们现在要解决的就是当调用Swap函数的时候，Swap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就好了

#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;
}