C语言指针详解（一）

已于 2024-05-14 00:03:29 修改
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分类专栏： C语言 文章标签： c语言 开发语言
于 2024-04-19 19:58:42 首次发布
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前言

一 .内存和地址

1.内存

2. 究竟该如何理解编址

二. 指针变量和地址

1. 取地址操作符（&）

2. 指针变量和解引用操作符（*）

2.1 指针变量

2.2 如何理解指针类型

2.3 解引用操作符

3. 指针变量的大小

三. 指针变量类型的意义

1. 指针的解引用

2. 指针+-整数

3. void* 指针

四. const修饰指针

1. const修饰变量

2. const修饰指针变量

五. 指针运算

1. 指针+- 整数

2. 指针-指针

3. 指针的关系运算

六. 野指针

1. 野指针成因

1.1 指针未初始化

1.2 指针越界访问

1.3 指针指向的空间释放

2. 如何规避野指针

2.1 指针初始化

2.2 小心指针越界

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

2.4 避免返回局部变量的地址

七. assert断言

八. 指针的使用和传址调用

1. strlen的模拟实现

2. 传值调用和传址调用

下一篇文章的传送门

前言

对于C语言中的指针，很多人可能因为听说它的难度大，所以不愿意使用指针，但指针其实是C语言中非常方便的工具，如果能够使用好它，对程序的开发就会事半功倍 ，现在，我们来了解一下指针的基本用法。如何理解指针，指针类型是什么，以及什么是野指针，如何规避野指针，然后了解一下assert断言，运用得当可以帮助我们减少程序开发中的错误，最后了解传值调用与传址调用的区别

一 .内存和地址

1.内存

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，可以类比为一个学生宿舍，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门牌号），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

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。

计算机内有很多的硬件单元，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。

二. 指针变量和地址

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个字节的地址可能分别是：

0x006FFD70
0x006FFD71
0x006FFD72
0x006FFD73

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;
}

结果可能会打印：006FFD70

&a取出的是a所占4个字节中地址较小的字节的地址。

变量在内存中的存储

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. 指针变量和解引用操作符（*）

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 如何理解指针类型

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？

2.3 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变量了；所以*pa = 0，这个操作符是把a改成了0.

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，

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>
//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("sizeof(char*) = %zd\n", sizeof(char*));
	printf("sizeof(short*) = %zd\n", sizeof(short*));
	printf("sizeof(int*) = %zd\n", sizeof(int*));
	printf("sizeof(double*) = %zd\n", sizeof(double*));
	return 0;
}
32位环境下指针变量的大小
32位环境下指针变量的大小
64位环境下指针变量的大小
64位环境下指针变量的大小

sizeof(char*)

sizeof(short*)

sizeof(int*)

sizeof(double*)

X86环境输出结果

4

4

4

4

X64环境输出结果

8

8

8

8

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。

三. 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。

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1调试结果
代码1调试结果 
 //代码2 
 #include <stdio.h>
 int main()
 {
     int n = 0x11223344;
     char *pc = (char *)&n;
     *pc = 0;
     return 0;
 }
代码2调试结果
代码2调试结果

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。

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("&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;
}

代码运行的结果我们可以看出， 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. 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行指针的+-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，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;
    
    //error
	*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。

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。

四. const修饰指针

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;
}

 运行结果

程序运行结果我们可以看到这里n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？

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。

五. 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

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};
数组元素和下标
数组元素和下标 
#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;
}

运行结果

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;
}

运行结果

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;
}

 运行结果

六. 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）

1. 野指针成因

1.1 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;
 }

1.2 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;
 }

1.3 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;
 }

2. 如何规避野指针

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;
 }

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。

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。

对于指针，在使用之前，我们要判断是否为NULL，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 (int 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;
}

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1.3，不要返回局部变量的地址。

七. 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 版本不影响用戶使用时程序的效率。

八. 指针的使用和传址调用

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;
 }

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

运行结果

当我们运行代码，我们发现其实没产生交换的效果，这是为什么呢？

我们发现在main函数内部，创建了a和b，假如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的地址不同于a和b，假如是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，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);
	Swap2(&a, &b);
	printf("交换后：a = % d b = % d\n", a, b);
	return 0;
}

运行结果

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。

下一篇文章的传送门

下一篇文章已经发布啦，想继续了解的朋友们可以点击下方链接，继续学习

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