C语言基础内容（五）——第05章_指针

于 2024-11-27 21:04:44 发布
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第05章_指针

指针是 C 语言最重要的概念之一，也是最难理解的概念之一。

指针是C语言的精髓，要想掌握C语言就需要深入地了解指针。

指针类型在考研中用得最多的地方，就是和结构体结合起来构造结点(如链表的结点、二叉树的结点等)。

本章专题脉络

在这里插入图片描述

1、指针的理解与定义

1.1 变量的访问方式

计算机中程序的运行都是在内存中进行的，变量也是在内存中分配的空间，且不同类型的变量占用不同大小的空间。那如何访问内存中变量存储的数据呢？有两种方式：直接访问和间接访问。直接访问，直接使用变量名进行的访问，以前的程序中都是采用这种方式。

int num1 = 10;
int num2 = 20;
int num3 = num1 + num2;

间接访问，通过指针来实现。下面看如何理解指针。

1.2 内存地址与指针

为了能够有效的访问到内存的每个单元(即一个字节)，就给内存单元进行了编号，这些编号被称为该内存单元的地址。因为每个内存单元都有地址，所以变量存储的数据也是有地址的。
在这里插入图片描述
通过地址能找到所需的变量单元，可以说，地址指向该变量单元，将地址形象化地称为“指针”。即：

  • 变量：命名的内存空间，用于存放各种类型的数据。

  • 变量名：变量名是给内存空间取的一个容易记忆的名字。

  • 变量值：在变量单元中存放的数据值。

  • 变量的地址：变量所使用的内存空间的地址，即指针。
    在这里插入图片描述

  • 指针变量：一个变量专门用来存放另一变量在内存中数据的地址 (即指针)，则它称为“指针变量”。我们可以通过访问指针变量达到访问内存中另一个变量数据的目的。(有时为了阐述方便，将指针变量直接说成指针。)
    在这里插入图片描述上图中，地址0x00000001是变量 i 的指针，i_pointer就是一个指针变量。

体会：指针就是内存地址，使用指针访问变量，就是直接对内存地址中的数据进行操作。

1.3 指针变量的定义

一般格式：

数据类型 *指针变量名 [=初始地址值];
  • 数据类型是指针变量所指向变量数据类型。可以是 int、char、float 等基本类型，也可以是数组等构造类型。
  • 字符 * 用于告知系统这里定义的是一个指针变量，通常跟在类型关键字的后面。比如， char * 表示一个指向字符的指针， float * 表示一个指向 float 类型的值的指针。此外，还有指向数组的指针、指向结构体的指针。

举例1：

int *p;  //读作：指向int的指针”或简称“int指针”

这是一个指针变量，用于存储int型的整数在内存空间中数据的地址。

变形写法：

int* p;
int * p;

注意：

1、指针变量的名字是 p，不是*p。

2、指针变量中只能存放地址，不要将一个整数（或任何其它非地址类型的数据）赋给一个指针变量。

举例2：同一行声明两个指针变量

// 正确
int * a, * b;
// 错误
int* a, b;   //此时a是整数指针变量，而b是整数变量

举例3：一个指针指向的可能还是指针，这时就要用两个星号 ** 表示。(后面讲)

int **foo;

1.4 指针的应用场景

场景1：使用指针访问变量或数组的元素。

场景2：应用在数据结构中。比如：在这里插入图片描述

2、指针的运算

指针作为一种特殊的数据类型可以参与运算，但与其他数据类型不同的是，指针的运算都是针对内存中的地址来实现的。

2.1 取址运算符：&

取址运算符，使用“&”符号来表示。作用：取出指定变量在内存中的地址，其语法格式如下：

&变量

举例1：

int num = 10; 
printf("num = %d\n", num); // 输出变量的值。 num = 10
printf("&num = %p\n", &num); // 输出变量的内存地址。&num = 00000050593ffbbc

说明：

1、在输出取址运算获得的地址时，需要使用“%p”作为格式输出符。
2、这里num的4个字节，每个字节都有地址，取出的是第一个字节的地址（较小的地址）。

举例2：将变量的地址赋值给指针变量

int num = 10;
int *p; //p为一个整型指针变量
p = #

在这里插入图片描述
举例3：

int d = 10;
int *e, *f;
e = &d;
f = e;

指针变量的赋值

1、指针变量中只能存放地址（指针），不要将一个整数（或任何其它非地址类型的数据）赋给一个指针变量。

2、C语言中的地址包括位置信息(内存编号，或称纯地址)和它所指向的数据的类型信息，即它是“带类型的地址”。所以，一个指针变量只能指向同一个类型的变量，不能抛开类型随意赋值。

  • char* 类型的指针是为了存放 char 类型变量的地址。
  • short* 类型的指针是为了存放 short 类型变量的地址。
  • int* 类型的指针是为了存放 int 类型变量的地址。

3、在没有对指针变量赋值时，指针变量的值是不确定的，可能系统会分配一个未知的地址，此时使用此指针变量可能会导致不可预料的后果甚至是系统崩溃。为了避免这个问题，通常给指针变量赋初始值为0(或NULL)，并把值为0的指针变量称为空指针变量。

举例4：通过指针变量修改指向的内存中的数据

int main() {

    int num = 10, *ptr;
    ptr = #
    printf("%d\n",num);

    scanf("%d", ptr); //等价于scanf("%d", &num);
    
    printf("%d\n",num);

    return 0;
}

在这里插入图片描述

2.2 取值运算符：*

在C语言中针对指针运算还提供了一个取值运算符，使用“*”符号表示。其作用与&相反，根据一个给定的内存地址取出该地址对应变量的值。也称为解引用符号。其格式如下：

*指针表达式

其中，“*”不同于定义指针变量的符号，这里是运算符。“指针表达式”用于得到一个内存地址，与“*”结合以获得该内存地址对应变量的值。

举例1：

int main() {

    int a = 2024;
    int *p;
    p = &a;
    
    printf("%p\n",&a); //0000005cc43ff6d4
    printf("%p\n",p);  //0000005cc43ff6d4
    printf("%d\n", *p); //2024
    
    return 0;
}

举例2：

int main() {

    int num = 10; //这里定义一个整型变量num
    printf("num = %d\n", num); //输出变量num的值。输出：num = 10
    printf("&num = %p\n", &num); //输出变量num的地址。输出：&num = 000000e6a11ffa1c
    
    int *p = #
    printf("%p\n",p); //000000e6a11ffa1c
    printf("%d\n",*p);//10
    
    printf("*&num = %d\n", *&num);//通过num地址读取num中的数据。输出：*&num = 10
    
    return 0;
}

& 运算符与 * 运算符互为逆运算，下面的表达式总是成立：

int i = 5;
if (i == *(&i)) // 正确

举例3：通过指针变量修改指向内存地址位置上的值

int main() {

    int num = 10;
    int *p = #
    *p = 20;
    printf("num = %d\n",num);  //num = 20

    char ch = 'w';
    char* pc = &ch;
    *pc = 's';
    printf("ch = %c\n", ch); //ch = 's'

    return 0;
}

在这里插入图片描述

举例4：

定义指针变量 p1、p2，默认各自指向整数a、b，a、b从键盘输入。设计程序，使得 p1 指向其中的较大值，p2 指向其中的较小值 。
在这里插入图片描述

int main() {

    int *p1, *p2, *p, a, b;
    printf("请输入两个整数: ");
    scanf("%d,%d", &a, &b);
    p1 = &a;
    p2 = &b;
    if (a < b) {
        p = p1;
        p1 = p2;
        p2 = p;
    }

    printf("输出p1、p2: ");
    printf("%d,%d\n", *p1, *p2);

    return 0;
}

举例5：已有代码如下：

int a = 10;
int *p;
p = &a;

请看问题：

问题1：&*p的含义是什么?

  • “&”和“*”两个运算符的优先级别相同，但按自右而左方向运算。因此，&*p与&a相同，即变量a的地址。
  • 如果有p1 = &*p; 它的作用是将&a (a的地址)赋给p1 ，如果p1原来指向 b，经过重新赋值后它已不再指向b了，而指向了a。

问题2：*&a的含义是什么?

  • 先进行&a运算，得a的地址，再进行*运算。*&a和*p的作用是一样的，它们都等价于变量a。即*&a与 a 等价。

2.3 指针的常用运算

指针本质上就是一个无符号整数，代表了内存地址。除了上面提到的取址运算外，指针还可以与整数加减、自增自减、同类指针相减运算等。但是规则并不是整数运算的规则。

2.3.1 指针与整数值的加减运算

格式：指针±整数

指针与整数值的加减运算，表示指针所指向的内存地址的移动（加，向后移动；减，向前移动）。指针移动的单位，与指针指向的数据类型有关。数据类型占据多少个字节，每单位就移动多少个字节。

通过此操作，可以快速定位你要的地址。

short *s;
s = (short *) 0x1234;
printf("%hx\n", s + 1); //0x1236   复习：%hx ：十六进制 short int 类型
printf("%hx\n", s - 1); //0x1232

int *i;
i = (int *) 0x1234;
printf("%x\n", i + 1); //0x1238    复习：%x ：十六进制整数

说明：s + 1 表示指针向内存地址的高位移动一个单位，而一个单位的 short 类型占据两个字节的宽度，所以相当于向高位移动两个字节。

再比如：变量a、b、c、d和e都是整型数据int类型，它们在内存中占据一块连续的存储区域。指针变量p指向变量a，也就是p的值是0xFF12，则：

在这里插入图片描述

说明：指针p+1并不是地址+1，而是指针p指向数组中的下一个数据。比如，int *p，p+1表示当前地址+4，指向下一个整型数据。
举例1：

int main() {

    int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int *p = &arr[1];
    printf("p的地址为：%p,对应的值为%d\n", p, *p); //p1的地址为：000000df21bff6e4,对应的值为2
    printf("p+1=的地址为：%p,对应的值为%d\n", p + 1, *(p + 1)); //p1+1=的地址为：000000df21bff6e8,对应的值为3
    printf("p-1=的地址为：%p,对应的值为%d\n", p - 1, *(p - 1)); //p1-1=的地址为：000000df21bff6e0,对应的值为1

    return 0;
}

注意：只有指向连续的同类型数据区域，指针加、减整数才有实际意义。

举例2：

对于长度是 N 的一维数组 a，当使用指针 p 指向其首元素后，即可通过指针 p 访问数组的各个元素。

在这里插入图片描述

其中：

  • a[0]用 *p 表示
  • a[1]用*(p+1)表示
  • a[i]用*(p+i)表示

遍历数组操作如下：

#include <stdio.h>
#define LENGTH 5

int main() {

    int arr[LENGTH] = {10,20,30,40,50};

    //方式1：传统直接访问的方式
    for(int i = 0;i < LENGTH;i++){
        printf("%d ",arr[i]);
    }

    printf("\n");

    //方式2：使用指针访问
    int *p = &arr[0];
    for(int i = 0;i < LENGTH;i++){
        printf("%d ",*(p+i));
    }

    return 0;
}
2.3.2 指针的自增、自减运算

指针类型变量也可以进行自增或自减运算，如下：

p++ 、 p-- 、 ++p 、--p

++和–在运算符章节已经讲过，这里针对指针的增加或减少指的是内存地址的向前或向后移动。

针对于数组来说，由于数组在内存中是连续分布的。

  • 当对指针进行++时，指针会按照它指向的数据类型字节数大小增加，比如 int * 指针，每 ++ 一次， 就增加4个字节。
  • 当对指针进行–时，指针会按照它指向的数据类型字节数大小减少，比如 int * 指针，每 – 一次， 就减少4个字节。

举例1：

int main() {
    int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int *p1 = &arr[0];
    int *p2 = &arr[3];
    printf("p1的值为：%d\n", *p1);        //1
    printf("++p1的值为：%d\n", *(++p1));  //2
    printf("p1的值为：%d\n", *p1);        //2

    printf("p1的地址为：%p\n", p1);      //00000055c0bff704
    printf("p1++的地址为：%p\n", ++p1);  //00000055c0bff708


    printf("p2的值为：%d\n", *p2);       //4
    printf("--p2的值为：%d\n", *(--p2)); //3
    printf("p2的值为：%d\n", *p2);       //3

    return 0;
}

举例2：请分析下面几种情况。

初始情况：

int a[5] = {10,20,30,40,50};

情况1：

int *p = a;  //p开始时指向数组a的首元素    等同于 int *p = &a[0];

p++; //使p指向下一元素a[1]
printf("%d\n",*p); //得到下一个元素a[1]的值，即20

情况2：

int *p = a;  //p开始时指向数组a的首元素

printf("%d\n",*p++); //10   分析：由于++和*同优先级，结合方向自右而左，因此它等价于*(p++)
printf("%d\n",*p);   //20

拓展：

*(p++); //先取*p值，然后使p自增1
*(++p); //先使p自增1，再取*p

拓展：如果 p 当前指向 a 数组中第 i 个元素a[i]，则：

*(p--) //相当于a[i--]，先对p进行“*”运算，再使p自减
*(++p) //相当于a[++i]，先使p自加，再进行“*”运算
*(--p) //相当于a[--i]，先使p自减，再进行“*”运算

情况3：

int *p = &a[2];  //p开始时指向数组a的第3个元素
printf("%d\n",*(p--)); //30
    
p = &a[2];
printf("%d\n",*(++p)); //40

p = &a[2];
printf("%d\n",*(--p)); //20

情况3：

int *p = a;            //p开始时指向数组a的首元素
printf("%d\n",++(*p)); //11

/*
分析：表示p所指向的元素值加1，如果p=a, 则相当于++a[0]，若a[0]的值为10，则a[0]的值为11。
注意: 是元素a[0]的值加1，而不是指针p的值加1
*/
2.3.3 同类指针相减运算

格式：指针 - 指针

相同类型的指针允许进行减法运算，返回它们之间的距离，即相隔多少个数据单位（注意：非字节数）。高位地址减去低位地址，返回的是正值；低位地址减去高位地址，返回的是负值。

返回的值属于 ptrdiff_t 类型，这是一个带符号的整数类型别名，具体类型根据系统不同而不同。这个类型的原型定义在头文件 stddef.h 里面。

举例1：

int main() {

    short *ps1;
    short *ps2;
    ps1 = (short *) 0x1234;
    ps2 = (short *) 0x1236;
    ptrdiff_t dist = ps2 - ps1;
    printf("%d\n", dist); // 1   相差2个字节正好存放1个 short 类型的值。

    int *pi1;
    int *pi2;

    pi1 = (int *) 0x1234;
    pi2 = (int *) 0x1244;

    ptrdiff_t dist1 = pi2 - pi1;
    printf("%d\n",dist1);  //4   相差16个字节正好存放4个 int 类型的值。

    return 0;
}

举例2：

int main() {
    int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int *p1 = &arr[0];
    int *p2 = &arr[3];
    printf("p1的地址为：%d\n", p1); //497022544
    printf("p2的地址为：%d\n", p2); //497022556
    printf("p2-p1=%d\n", p2 - p1); //3 等同于 (497022556 - 497022544)/4 ==> 3

    return 0;
}

在这里插入图片描述

体会：两个指针相减，通常两个指针都是指向同一数组中的元素才有意义。结果是两个地址之差除以数组元素的长度。不相干的两个变量的地址，通常没有做减法的必要。

举例：

int main() {

    int i = 10;
    int j = 20;
    int *p1 = &i;
    int *p2 = &j;

    ptrdiff_t dist = p1 - p2;
    printf("%d\n",dist);   //通常没有计算减法的必要

    return 0;
}

非法：同类指针相加运算

两个指针进行加法是非法的，所得结果是没有意义的。

int i = 10,j = 20;
int *p1 = &i;
int *p2 = &j;
int *p3 = p1 + p2; //非法
2.3.4 指针间的比较运算

指针之间的比较运算，比如 ==、!= 、<、 <= 、 >、 >=。比较的是各自的内存地址的大小，返回值是整数 1 （true）或 0 （false）。

举例：

int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int *p1 = &arr[0];
int *p2 = &arr[3];

printf("%d\n",p1 > p2);  //0
printf("%d\n",p1 < p2);  //1
printf("%d\n",p1 == p2); //0
printf("%d\n",p1 != p2); //1

3、野指针

3.1 什么是野指针

野指针：就是指针指向的位置是不可知（随机性，不正确，没有明确限制的）。

3.2 野指针的成因

① 指针使用前未初始化

指针变量在定义时如果未初始化，其值是随机的，此时操作指针就是去访问一个不确定的地址，所以结果是不可知的。此时p就为野指针。

int main() {
    int *p;
    printf("%d\n",*p);
    return 0;
}

在没有给指针变量显式初始化的情况下，一系列的操作(包括修改指向内存的数据的值)也是错误的。

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

拓展：注意如下的赋值操作也是错误的

int main() {
    int num = 10;
    int *p;
    p = num;
    return 0;
}
② 指针越界访问
#include <stdio.h>

int main() {
    int arr[10] = {0};
    int *p = arr;
    for (int i = 0; i <= 10; i++,p++) {
        *p = i;                   //i=10时越界
    }
    return 0;
}

在这里插入图片描述

当i=10时，此时*p访问的内存空间不在数组有效范围内，此时*p就属于非法访问内存空间，p为野指针。

③ 指针指向已释放的空间
#include <stdio.h>

int *test() {
    int a = 10;
    return &a;          //&a=0x0012ff40
}

int main() {
    int *p = test();
    printf("%d", *p);
    return 0;
}

调用test函数将返回值赋给p，test函数的返回值是局部变量a的地址。由于a只在test函数内有效，出了test函数其内存空间就被释放，也就意味着a的地址编号不存在，若将其赋值给p，导致p获取到的地址是无效的。

如果短时间内再次利用这块地址，它的值还未被改变也就是0x0012ff40还存在，p的值为0x0012ff40，*p时还是10，可以打印出。

但如果在打印之前有其他函数调用了这块地址，这块地址的名称就会发生变化，不再是0x0012ff40，打印*p时不再为10。

总之，此时p为野指针。

3.3 野指针的避免

1、指针初始化

定义指针的时候，如果没有确切的地址赋值，为指针变量赋一个 NULL 值是好的编程习惯。即

int *p = NULL;

赋为 NULL 值的指针被称为空指针，NULL 指针是一个定义在标准库 <stdio.h>中的值为零的常量 #define NULL 0

后面如果用到指针的话再让指针指向具有实际意义的地址，然后通过指针的取值符号(*)改变其指向的内容。

练习：

#include<stdio.h>

int main() {
    int *p = NULL; //空指针不要与未初始化的指针混淆

    int b = 8;
    p = &b;   //显式赋值
    *p = 100;
    printf("%d\n", *p);  //100
    printf("%d\b", b);   //100

    return 0;
}

2、小心指针越界

3、避免返回局部变量的地址

4、指针指向空间释放，及时置NULL

int a = 10;			
int* pa = &a;
printf("%d\n", *pa);
 
pa = NULL;				//把pa指针置成NULL
 
printf("%d\n",pa);

5、指针使用之前检查有效性

if (pa != NULL){
	//进行使用
}

if (pa == NULL){
	//不进行使用
}

4、二级指针(多重指针)

一个指针p1记录一个变量的地址。由于指针p1也是变量，自然也有地址，那么p1变量的地址可以用另一个指针p2来记录。则p2就称为二级指针。

简单来说，二级指针即一个指针变量的值是另外一个指针变量的地址。通俗来说，二级指针就是指向指针的指针。

格式：

数据类型 **指针名;

举例1：

int a = 10;
int *pa = &a;  //pa是一级指针
int **ppa = &pa; //ppa是二级指针，类型为int **

在这里插入图片描述

进而推理，会有int ***pppa = &ppa; 等情况，但这些情况一般不会遇到。

在上述代码基础上，

int b = 20;
ppa = &b; //报错

将 ppa（类型为 int **，即二级指针）赋值为 &b，但 &b是一个 int * 类型的指针，而不是 int ** 类型。这会导致类型不匹配的错误。
如果您想要将 ppa 指向 b，可以找一个额外的一级指针作为中介。如下操作：

int b = 20;
int *pb = &b;     // 使用一级指针来指向b
ppa = &pb;        // 将ppa指向pb的地址，ppa是二级指针

举例2：

int main() {
    int var = 3000;
    int *ptr = &var;        // 一级指针指向 var
    int **pptr = &ptr;      // 二级指针指向 ptr
    int ***ppptr = &pptr;   // 三级指针指向 pptr

    printf("Value of var: %d\n", var);
    printf("Value of ptr: %d\n", *ptr);         // 解引用一次
    printf("Value of pptr: %d\n", **pptr);      // 解引用两次
    printf("Value of ppptr: %d\n", ***ppptr);   // 解引用三次

    return 0;
}

在这里插入图片描述举例3：使用malloc()函数创建二维数组

malloc()函数用于动态分配堆内存，free()函数用于释放堆内存。这两个函数通常都是配合一起使用的。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>


int main() {
    int rows, cols;// 定义二维数组的行和列
    printf("第一维为：");
    scanf("%d", &rows);
    printf("第二维为：");
    scanf("%d", &cols);

    int **array = (int **) malloc(sizeof(int *) * rows);//先创建第一维
    for (int i = 0; i < rows; i++) {
        //在内层循环中动态创建第二维
        array[i] = (int *) malloc(sizeof(int) * cols);
        //
        for (int j = 0; j < cols; j++) {
            array[i][j] = 1;
            printf("%d　", array[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }

    free(array);

    return 0;
}
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