C语言：深入讲解指针（1）

1. 内存和地址

1.1 内存

在讲内存和地址之前，我们想有个生活中的案例：

假设有一栋宿舍楼，把你放在楼里，楼上有100个房间，但是房间没有编号，你的一个朋友来找你玩， 如果想找到你，就得挨个房子去找，这样效率很低，但是我们如果根据楼层和楼层的房间的情况，给每个房间编上号，如：

⼀楼：101，102，103...
⼆楼：201，202，203....
...

有了房间号，如果你的朋友得到房间号，就可以快速的找房间，找到你。

生活中，每个房间有了房间号，就能提⾼效率，能快速的找到房间。

如果把上面的例子对照到计算中，又是怎么样呢？

我们知道计算上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，那我们买电脑的时候，电脑上内存是8GB/16GB/32GB等，那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（补充）：

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

其中，每个内存单元，相当于一个学生宿舍，一个⼈字节空间里面能放8个比特位，就好比同学们 住的八人间，每个人是一个比特位。 每个内存单元也都有一个编号（这个编号就相当 于宿舍房间的面牌号），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。

生活中我们把门牌号也叫地址，在计算机中我们 把内存单元的编号也称为地址。C语言中给地址起 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

1.2 究竟该如何理解编址

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，所以需要给内存进进编址(就如同宿舍很多，需要给宿舍编号⼀样)。

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。 钢琴、吉他上面没有写上 “都瑞咪发嗦啦” 这样的信息，但演奏者照样能够准确找到每一个琴弦的每一个位置，这是为何？

因为制造商已经在乐器硬件层面上设计好了，并且所有的演奏者都知道。本质是一种约定出来的共识！

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。

我们可以简单理解，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 种含义，2 根线就能表示 4 种含义，依次类推。32 根地址线，就能表示  2^32 种含义，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

2.1 取地址操作符（&）

理解了内存和地址的关系，我们再回到C语言，在C语言中创建变量其实就是向内存申请空间，比如：

#include <stdio.h>
int main()
{
 int a = 10;
 return 0;
}

比如，上述的代码就是创建了整型变量 a ，内存中申请4个字节，用于存放整数10，其中每个字节都有地址，上图中 4 个字节的地址分别是：

那我们如何能得到a的地址呢？

这里就得学习⼀个操作符(&)-取地址操作符

#include <stdio.h>
int main()
{
   int a = 10;
   &a;//取出a的地址 
   printf("%p\n", &a);
   return 0;
}

按照我画图的例子，会打印处理：006FFD70

&a 取出的是 a 所占4个字节中地址较小的字节的地址。

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。

2.2 指针变量和解引用操作符（*）

2.2.1 指针变量

那我们通过取地址操作符(&)拿到的地址是一个数值，比如：0x006FFD70，这个数值有时候也是需要

存储起来，方便后期再使用的，那我们把这样的地址值存放在哪里呢？答案是：指针变量中。

比如：

#include <stdio.h>
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。

2.2.2 如何拆解指针类型

我们看到 pa 的类型是 int* ，我们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。

那如果有一个 char 类型的变量 ch，ch 的地址，要放在什么类型的指针变量中呢？

char ch = 'w';
pc = &ch;//pc 的类型怎么写呢？ 

2.2.3 解引用操作符

我们将地址保存起来，未来是要使用的，那怎么使用呢？ 在现实生活中，我们使用地址要找到一个房间，在房间里可以拿去或者存放物品。 C语言中其实也是一样的，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(*)。

#include <stdio.h>
int main()
{
 int a = 100;
 int* pa = &a;
 *pa = 0;
 return 0;
}

上面代码中第7行就使用了解引用操作符， *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。有同学肯定在想，这里如果目的就是把 a 改成 0 的话，写成 a = 0; 不就完了，为啥非要使用指针呢？

其实这里是把a的修改交给了pa来操作，这样对a的修改，就多了⼀种的途径，写代码就会更加灵活，后期慢慢就能理解了。

2.3 指针变量的大小

前面的内容我们了解到，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>
//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） 
int main()
{
 printf("%zd\n", sizeof(char *));
 printf("%zd\n", sizeof(short *));
 printf("%zd\n", sizeof(int *));
 printf("%zd\n", sizeof(double *));
 return 0;
}

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？

其实指针类型是有特殊意义的，我们接下来继续学习。

3.1 指针的解引用

对比，下面 2 段代码，主要在调试观察内存的变化。

//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。

3.2 指针+-整数

先看⼀段代码，调试观察地址的变化。

#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;
}

代码运行的结果如下：

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。

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）。

3.3 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指针的 + - 整数和解引用的运算。

举例：

#include <stdio.h>
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（如下图），是因为类型不兼容。而使用void*类型就不会有这样的问题。

使用 void* 类型的指针接收地址：

#include <stdio.h>
int main()
{
 int a = 10;
 void* pa = &a;
 void* pc = &a;
 
 *pa = 10;
 *pc = 0;
 return 0;
}

VS编译代码的结果：

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

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，在《深入理解指针(4)》中我们会讲解。

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;
}

上述代码中 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;
}

输出结果：

我们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

我们看下面代码，来分析

#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，分别是：
•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所有元素。

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

 

#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

1. 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;
}

2. 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;
}

3. 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。

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 避免返回局部变量的地址

如造成野指针的第3个例子，不要返回局部变量的地址。

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);

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 <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

8.1 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 );

参数str接收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。

参考代码如下：

int my_strlen(const char * str)
{
 int count = 0;
 assert(str);
 while(*str)
 {
 count++;
 str++;
 }
 return count;
}
int main()
{
 int len = my_strlen("abcdef");
 printf("%d\n", len);
 return 0;
}

8.2 传值调用和传址调用

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;
}

当我们运行代码，结果如下：

我们发现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，并达到交换的效果就好了。

#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);
 Swap1(&a, &b);
 printf("交换后：a=%d b=%d\n", a, b);
 return 0;
}

首先看输出结果：

我们可以看到实现成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，这种函数调用方式叫：传址调用。

传址调用，可以让函数和主调函数之间建立真正的联系，在函数内部可以修改主调函数中的变量；所

以未来函数中只是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。

我们今天的内容就到这里，谢谢大家。