自学C语言——指针详解（一）

接上一篇：自学C语言——操作符详解

内存和地址

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。每个内存单元里边可以放8个比特位。每个内存单元也都有⼀个编号，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。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

计算机中常⻅的单位（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

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。本质是⼀种约定出来的共识。

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。

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。

#include<stdio.h>

int main()
{
	int a = 0x1234;
	printf("%p\n", &a);//&a->取出a的地址：0000008C32EFF7A4
	return 0;
}

&a取出的是a所占4个字节中地址较⼩的字节的地址。 

指针变量和解引用操作符 *

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：0x006FFD70，这个数值存储到指针变量中，方便后期再使用。

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

&a -- a的地址 -- 地址就是指针
pa = &a；
pa就是用来存放地址的，也可以说是存放指针的
pa可以被称为指针变量（存放指针的变量）

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;

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

char ch = 'w'; 
char* pc = &ch;

同理

解引用操作符

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

使用的操作符叫：解引⽤操作符(*）——间接访问操作符

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 100;
	int* pa = &a;
	*pa = 10;
	printf("%d\n", a);//10
	return 0;
}

 *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=10，这个操作符是把a改成了10。

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;
}
// 8 8 8 8 （博主是64位电脑x64，左上角可以设置x86，输出结果为 4 4 4 4）

• 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

指针类型决定：在对指针进行解引用操作的时候，访问几个字节。

#include <stdio.h>
int main()
{
	int n = 0x11223344; 
	int* pi = &n;  
	*pi = 0;  
	return 0;
}
//将n的4个字节全部改为0


#include <stdio.h>
int main()
{
	int n = 0x11223344; 
	char* pc = (char*)&n; 
	*pc = 0; 
	return 0;
}
//只将n的第⼀个字节改为0

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 

指针的类型决定了指针向前或者向后⾛的距离。

#include <stdio.h>
int main()
{
	int n = 0x11223344;
	char* pc = &n; //跳过一个字节
	int* pi = &n;//跳过一个整型

	printf("&n   =%p\n", &n);
	printf("pc   =%p\n", pc);
	printf("pc+1 =%p\n", pc + 1);
	printf("pi   =%p\n", pi);
	printf("pi+1 =%p\n", pi + 1);
	return 0;
}
//&n =     000000A59D2FF524
//pc =     000000A59D2FF524
//pc + 1 = 000000A59D2FF525
//pi =     000000A59D2FF524
//pi + 1 = 000000A59D2FF528

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

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 ，+n-n

int* pi:
pi + 1 —— 1*sizeof(int)

pi + n —— n*sizeof(int)

short* ps

ps + 1 —— 1*sizeof(int)

ps + n —— n*sizeof(int)

void*指针

 void是无、空的意思，void*指无具体类型的指针（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。

int main()
{
	int a = 10;
	char* pa = &a;//从“int *”到“char *”的类型不兼容
	void* pc = &a;
	return 0;
}

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

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。

const 修饰普通变量

int main()
{
	const int num = 0;
	num = 1;//表达式必须是可修改的左值
	printf("%d\n", num);//可以直接打印const num，不可修改
	return 0;
}

常属性 - 被const修饰后就具有常属性，不能被修改

C语言中，num的本质还是常变量，本质上还是变量，因为有const的修饰，编译器再语法上不允许修改这个变量。在C++中，num本质就是常量。（）

const 修饰指针变量 

const修饰指针变量，可以放在*的左边，也可以放在*的右边，意义不⼀样

int* p;//没有const修饰
int const* p; const int* p   //const 放在*的左边做修饰
int* const p;                     //const 放在*的右边做修饰

const int* const p;            //表示zhi'h

• 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。

#include <stdio.h>
//代码1 - 测试⽆const修饰的情况
void test1()
{
int n = 10;
int m = 20;
int* p = &n;
*p = 20;//ok
p = &m; //ok
}
//代码2 - 测试const放在*的左边情况
void test2()
{
int n = 10;
int m = 20;
const int* p = &n;
*p = 20;//err
p = &m; //ok
}
//代码3 - 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; //err
}
//代码4 - 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; //err
p = &m; //err
}
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;
}

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

数组在内存中是连续存放的，只要知道第⼀个元素的地址，就能找到后⾯的所有元素

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

数组| 1  2  3  4  5  6  7  8  9  10

下标| 0  1  2  3  4  5  6  7  8  9 

#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;

}

//输出：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10


#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]);
	for (i = sz - 1; i >= 0; i--)
	{
		printf("%d ", *(p + i));//p+i 这⾥就是指针+整数 
	}
	return 0;

}

//输出：10 9 8 7 6 5 4 3 2 1


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

}

//输出：10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

指针 - 指针

地址 - 地址，得到的值的绝对值是指针和指针之间的元素个数。

运算的前提条件是两个指针指向同一块空间。

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

	return 0;
}
//输出：9

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

	return 0;
}
//输出：-9

 求数组的长度

#include<stdio.h>
#include<string.h>
int main()
{
	char arr[] = "abcdef";
//数组名其实是数组首元素的地址
	size_t len = strlen(arr);
//arr == &arr[0]
	printf("%zd\n", len);
	return 0;
}
//输出6

指针的运算关系

#include <stdio.h>
int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 }; 
	//使用指针的关系运算，来打印数组内容
	int* p = &arr[0]; //= arr；
	//数组随着下标的增长，地址是由低到高变化的
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);//10
	while (p < &arr[sz]) //指针的大小比较
	{
		printf("%d ", *p); 
		p++;
	}
return 0;
}

野指针

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）

野指针的成因

指针未初始化

#include <stdio.h>
int main()
{
	int* p;//局部变量指针未初始化，p里存放的地址默认为随机值
	*p = 20;//使用了未初始化的局部变量“p” ，非法访问
	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; //*p = i;p++;
	}
	return 0;
}
//运行报错

指针指向的空间释放

#include <stdio.h>

int* test()
{
	int n = 100;//局部变量
	return &n;
}

int main()
{
	int* p = test();//p的值为n的地址，接受到地址的时候就已经是野指针了
	printf("%d\n", *p); 
	return 0;
}
//p得到地址后，可以找到这个地址，但是地址已经不属于原来的n了

如何规避野指针

初始化指针

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，可以先给指针赋值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，但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

0 ——数字0

'\0' —— 转义字符 —— 0

NULL —— 空指针 —— 0

'0' ——字符0 ——ASCII值是48

 初始化：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 10;
	int* p1 = &a;//明确的指向
	int* p2 = NULL;//NULL —— 空指针

	return 0;
}

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。

使用前检查有效性

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

给指针变量及时赋值为NULL，就是把野指针暂时管理起来

#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; 
	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;
}

避免返回局部变量的地址

不要返回局部变量的地址

int* test()
{
	int n = 100;//局部变量
	return &n;//没有意义
}

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);// != 不等于

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

#include<stdio.h>
#include<assert.h>
int main()
{
	int* p = NULL;
	assert(p != NULL);//直接告诉你哪一行报错

	return 0;
}

#include<stdio.h>
#include<assert.h>
int main()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	assert(p != NULL);
	printf("%d\n", *p);//输出10
	return 0;
}

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() 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>

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，这样就重新启⽤了 assert() 语句。
assert() 的缺点：

引⼊了额外的检查，增加了程序的运⾏时间。

指针的使用和传址调用

strlen的虚拟实现

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

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，最终返回⻓度。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<stdio.h>
#include<assert.h>
size_t my_strlen(char* s)
{
	int count = 0;
	assert(s != NULL);
	while (*s != '\0')
	{
		count++;
		s++;
	}
	return count;
}
int main()
{
	char arr[] = "znxdef";
	size_t len = my_strlen(arr);
	printf("%zd\n", len); //输出6
	return 0;
}

传值调用和传址调用 

传值调用

//写一个函数，交换两个整形变量的值。
#include<stdio.h>

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

int main()
{
	int a = 0;
	int b = 0;
	scanf("%d %d", &a, &b);
	printf("交换前：a=%d b=%d\n", a, b);

	swap(a, b);//交换

	printf("交换后：a=%d b=%d\n", a, b);
	return 0;
}
//输出：
// 10 5
//交换前：a = 10 b = 5
//交换后：a = 10 b = 5
//当实参传递给形参的时候，形参是有独立的空间的，对形参的修改不影响实参。

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。

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，并达到交换的效果就好了。

传址调用

#include <stdio.h>
void Swap2(int* pa, int* pb)
{
	int z = 0;
	z = *pa;
	*pa = *pb;
	*pb = z;
}
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;
}
//输出：
//12 15
//交换前：a = 12 b = 15
//交换后：a = 15 b = 12

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。

——————————End——————————