深入理解指针

内存和地址

内存

我们知道计算机上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，当我们买电脑的时候，电脑上内存是8GB/16GB/32GB等。为了高效地去管理这些内存，我们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。

计算机中常⻅的单位（补充）： ⼀个比特位（bit）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

上面的单位除了1Byte = 8bit ，其余的单位之间的进制都是1024，

每个内存单元相当于⼀个学⽣宿舍，一个字节空间⾥⾯能放8个⽐特位，就好⽐⼋⼈间，每个⼈是⼀个⽐特位。 每个内存单元都有⼀个编号（这个编号就相当于宿舍房间的⻔牌号），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。 ⽣活中我们把⻔牌号也叫地址，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。

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，因为内存中字节很多，所以需要给内存进⾏编址(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。

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。所谓协同，⾄少相互之间要能够进⾏数据传递。 为了能够达到通信的目的，硬件和硬件之间用"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。

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。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。

指针变量和地址

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，⽐如：

 #include <stdio.h>
 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：

0x006FFD70
0x006FFD71
0x006FFD72
0x006FFD73

为了得到a的地址，我们可以用取地址操作符（&）：

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

虽然整型变量占⽤4个字节，但是&a取出的是a所占4个字节中地址较⼩的字节的地址 ，我们只要知道了第⼀个字节地址，也能顺藤摸⽠访问到4个字节的数据。

指针变量和解引⽤操作符（*）

指针变量

通过取地址操作符(&)拿到的地址是⼀个数值，⽐如：0x006FFD70，这个数值有时候也需要存储起来⽅便后期再使⽤，我们把这样的地址值存放在指针变量中。 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。

如何拆解指针类型

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

这⾥pa左边写的是 int * ， * 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。

10	int类型
a
0x0012ff40	int*类型
pa

解引⽤操作符

 C语⾔中，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6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。所以*pa=0，这个操作符是把a改成了0。

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，如果把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（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;
}

• 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。

指针变量类型的意义

指针的解引用

对⽐下⾯2段代码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;
 }

通过调试可以看到，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。 所以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

 #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。指针+1，其实跳过1个指针指向的元素，指针可以+1，那也可 以-1。 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）。

void* 指针

指针类型中有⼀种特殊的void * 类型，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。

 #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），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;
 }

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。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。

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。 而const的作用就是给⼀个变量加上⼀些限制，不能被修改。

 #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，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;
 }

这⾥如果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。

const修饰指针变量

⼀般来讲const修饰指针变量，可以放在*的左边，也可以放在*的右边，甚至可以*的左右两边都放上一个const，这些意义都是不⼀样的。

#include<stdio.h>
int main()
{
	const int num = 10;
	int n = 100;
	int const* p = &num;
	 p = &n;//yes
	*p = 20;//no
	return 0;
}

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（*p）不能通过指针来改变，但是指针变量本⾝的内容(n)可变。

int main()
{
	const int num = 10;
	int n = 100;
	int *const p = #
	 p = &n;//no
	*p = 20;//yes
	return 0;
}

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

int main()
{
	const int num = 10;
	int n = 100;
	const int *const p = #
	 p = &n;//no
	*p = 20;//no
	return 0;
}

两边都有，指针变量(n)不能被修改，指针变量指向的内容(*p)也不能修改。

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

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。

 #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;

指针-指针

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

指针-指针得到的是元素个数，并且是同一数组，即两个指针指向同一空间。