C语言——指针 ①

Blue༉

已于 2023-10-12 08:33:44 修改

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文章标签： c语言

于 2023-10-07 14:09:38 首次发布

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本文围绕C语言指针展开，介绍了指针的必要性，如共享内存数据、构建复杂数据结构等。阐述了指针的定义、运算，包括赋值和算术运算，还讲解了空指针和野指针的概念、野指针的成因及规避方法，帮助读者入门C语言指针。

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一. 指针 - 入门

1.1 为什么需要指针？

① 指针的使用使得不同代码区域可以轻松地共享内存数据。尽管你也可以通过复制数据来达到相同的效果，但这往往效率不高。对于占用大量字节的结构体等大型数据，复制操作会消耗很多性能。然而，使用指针就可以有效避免这个问题，因为任何类型的指针所占用的字节数都是一样的（根据平台可能是4字节、8字节或其他）。

② 指针使得构建一些复杂的连续性数据结构成为可能，例如链表、链式二叉树等等。

③ 某些操作必须使用指针，比如操作申请的堆内存。此外，在C语言中，所有函数调用中的值传递都是"按值传递"的，如果我们要在函数中修改被传递过来的对象，就必须使用该对象的指针来实现。

1.2 什么是指针？

指针是一种特定的数据类型，包括int指针类型、char指针类型、double指针类型等等。

指针用于存储变量或数据在内存中的地址。它可以指向其他变量或数据的位置，通过指针可以直接访问或修改这些数据。

指针变量是用来存储内存地址的。

总结：

指针是程序数据在内存中的地址，而指针变量是用来保存这些地址的变量。

1.3 指针变量的定义

指针变量的一般形式为：数据类型 *指针变量名

解释：

① 数据类型表明指针所指向对象的类型

② * 表明声明的变量是指针

例如：

int *p; //定义了一个指针变量p，指向整型变量。

注意：

① 无论何种类型的指针变量，它们都是用来存放地址的，因此指针变量自身所占内存的大小和它所指向的变量数据类型无关，尽管不同类型的变量所占内存空间不同，但是不同类型指针变量所占内存空间大小相同。

② "*" 在指针声明时表示该变量是一个指针变量，而在使用指针时用于间接引用指针所指向的数据。

③ 指针的类型和它所指向变量的类型必须相同。

1.3.1 指针的大小

指针是一个用于存储内存地址的变量，它本身也需要在内存中占用一定的空间。

指针变量的大小通常是由编译器和所运行的计算机体系结构决定的。指针的大小与所指向的数据类型无关。无论是指向整型、字符型、结构体还是其他类型的指针，在相同的系统和编译器下，它们的大小都是相同的，但是步长不相同。

在大多数32位系统上，指针通常占用4个字节的内存空间。而在64位系统上，指针通常占用8个字节的内存空间。

1.4. 指针的运算

1.4.1 赋值运算

指针的赋值运算是将一个地址赋给指针变量，使其指向该地址。

赋值运算使用赋值操作符"="，将一个地址或另一个指针赋给指针变量。

int num = 10;       // 声明一个整型变量num，并赋值为10
int *p = &num;      // 声明一个指向整型数据的指针p，并将num的地址赋给p

int *q;             // 声明一个指向整型数据的指针q
q = p;              // 将指针p的值（即num的地址）赋给指针q

&运算符用于获取变量的地址，&num代表变量num的地址。

指针变量p通过赋值运算符，将&num赋给它，使得p指向了变量num所在的内存地址。

需要注意的是，指针的类型必须与它所指向的数据类型相匹配。

在上述示例中，p和q都是指向int类型数据的指针，因此可以进行赋值运算。

指针的赋值运算是将一个地址赋给指针变量，从而使指针指向特定的内存位置。

通过指针，我们可以访问或修改该内存位置上存储的数据

1.4.2 算术运算

     指针的算术运算是基于指针所指向的数据类型的大小来计算的，并且要求指针变量指向的是数组或是动态分配的内存块，而非指向单个变量的指针，所以在使用指针算术运算时，需要保证指针变量指向的是合法的内存地址。

指针加法运算：

      当一个指针加上一个整数时，指针的值会增加相应的偏移量，偏移量取决于指针所指向的数据类型大小

   例如，指针变量p指向一个int类型的数组，则通过p + N得到的是数组中第N个元素的地址（即&p[N]）

指针减法运算：

当一个指针减去一个整数时，指针的值会减少相应的偏移量，偏移量取决于指针所指向的数据类型大小

例如，如果一个指针p指向一个int类型的数组，那么通过p - N可以得到指向数组中第N个元素前一个元素的指针，即p向前移动了N个元素的大小

1.5 空指针

意义：

空指针是不指向任何有效内存地址的指针，在C语言中，可以使用宏定义NULL或整数常量 0 来表示空指针，这样就标志此指针为空指针，没有指向任何空间。

注意：

对指针解引用操作可以获得它所指向的值。但从定义上看，NULL指针并未指向任何东西，因为对一个NULL指针解引用是一个非法的操作，所以在解引用之前，必须确保它不是一个NULL指针。

1.6 野指针

概念：

野指针就是指向的内存地址是未知的(随机的，不正确的，没有明确限制的)。
说明：

指针变量也是变量，是变量就可以任意赋值。但是，任意数值赋值给指针变量没有意义，因为这样的指针就成了野指针，此指针指向的区域是未知(操作系统不允许操作此指针指向的内存区域)。

注：野指针不会直接引发错误，操作野指针指向的内存区域才会出问题。
int a = 10;
int *p;

p = a;       //把a的值赋值给指针变量p，p为野指针，不会有问题，但没有意义
 
p = 0x555;   //给指针变量p赋值，p为野指针，不会有问题，但没有意义

*p = 10;     //对野指针进行赋值操作就出错了

1.6.1 野指针的成因

1. 指针未初始化：指针变量刚被创建时不会自动成为NULL指针，它的缺省值是随机的，所以它所指的空间也是随机的。
int main()
{
	int * p;

	*p = 100;

	return 0;
}
2. 指针越界访问：指针指向的范围超出了合理范围，或者调用函数时返回指向栈内存的指针或引用，因为栈内存是在函数结束时会被释放。
int main（）
{
	int arr[5] = {0};

	int *p = arr;

	for(int i = 0; i <= 6; i++)
	{
		*(P++) = i;    //当指针指向的范围超出数组arr的范围，p变成野指针。
	}

	return 0;
}
3 .指针释放后未置空：有时指针在free或delete后未赋值 NULL，并没有把指针本身忘记。此时指针指向的就是无效内存。
int main()
{
	int *p = NULL;

	p = (int *)malloc(sizeof(int) * 5);

	free(p);

	return 0;
}

1.6.2 规避野指针

1. 初始化指针

int main()
{
    /*1.系统分配的内存*/

    int a;
    int *p = &a;

    /*2.用户申请内存（堆内存）*/

    char *q = (char *)malloc(128);
    
    return 0;
}

2. 避免指针越界

int main（）
{
	int arr[5] = {0};

	int *p = arr;
	for(int i = 0; i < 5; i++)
	{
		*(P++) = i;//严格遵守有效范围。
	}

	return 0;
}

3. 避免返回局部变量的地址

int * test()
{
	int a = 20;

	return &a;
    //局部变量存在栈区，当被调函数结束后 ，栈区上局部变量的内存空间被释放，
    //若再去访问该空间就不合理了
}

int main()
{
	int *p = NULL;

	p = test();

	printf("%d\n", *p);

	return 0;
}

4. 开辟的指针释放后置为NULL

int main()
{
	int *p = NULL;

	p = (int *)malloc(sizeof(int) * 128);

	//成功开辟内存，可以操作内存。
	free(p);

	p = NULL;//避免野指针

	return 0;
}