C语言：深入明白指针
一.内存和地址我们知道盘算机上CPU（中央处理器）在处理数据的时候，须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位，每个内存单位的大小取1个字节。 在这里稍微补充一下：一个比特位(bit)可以存储⼀个2进制的位1大概0，8个比特位构成一个字节。 1Byte = 8bit 1KB = 1024Byte 1MB = 1024KB 1GB = 1024MB 1TB = 1024GB 1PB = 1024TB 每个内存单位也都有一个编号（这个编号就相当于宿舍房间的门牌号），有了这个内存单位的编号，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，在盘算机中我们把内存单位的编号也称为地址。C语言中给地址起了新的名字叫：指针。 所以我们可以明白为： 内存单位的编号 = 地址 = 指针 明白编址：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，这就须要我们刚才所说的指针了。在盘算机中的编址，并不是把每个字节的地址记载下来，而是通过硬件计划完成的。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，我们本日关心一组线，叫做地址总线。硬件编址也是如此我们可以简单明白，32位机器有32根地址总线，每根线只有两态，表示1，0【电脉冲有无】，那么一根线，就能表示2种寄义，2根线就能表示4种寄义，依次类推。32根地址线，就能表示2^32种寄义，每⼀种寄义都代表一个地址。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内的寄存器。 https://i-blog.csdnimg.cn/direct/03c1a51d81a44f1296408552cd92c9fd.png 二.指针变量和地址 1.取地址操作符 我们使用C语言创建变量时，其实是在向内存申请空间。在这里我们向内存申请4个字节(整型)的空间，用来存放1这个数值。这4个字节，每个字节都有编号(地址)。变量的名字仅仅是给步伐员看的，编译器不看名字，编译器是通过地址找内存单位的。 https://i-blog.csdnimg.cn/direct/982d5678976042b994e67b5730358675.png 那我们如何能得到a的地址呢？我们可以使用一个操作符(&)-取地址操作符。 https://i-blog.csdnimg.cn/direct/f064d92306b54594aaa3c7de72777fef.png 这样我们就可以将a的地址取出来了。固然，&a取出的是a所占4个字节中地址较小的字节的地址。不过没关系，知道了第一个地址也可以顺藤摸瓜地知道另外几个地址了。 2.指针变量息争引用操作符(*) 我们先来看什么是指针变量，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须要存储起来，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。 https://i-blog.csdnimg.cn/direct/6f357b4f660a4307b400a079a109c08b.png 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明白为地址。在上面的代码中，int *是该指针变量的类型，int表示的是该指针指向的对象是整型类型的，而*表示这个变量为指针变量。 接下来，我们来看解引用操作符。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。这里就须要用到我们刚才说的解引用操作符(*)。 https://i-blog.csdnimg.cn/direct/afc3d364a6f84494a716c2ff01d765b3.png 上⾯代码中第7行就使用相识引用操作符，*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，这个表达式就是把a改成了0。有人会想这里假如目标就是把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，写代码就会更加机动，后期渐渐就能明白了。 3.指针变量的大小 在前面我们相识到，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大概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，须要4 个字节才气存储。 假如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，存储起来就须要 8个字节的空间，指针变量的大小就是8个字节。 #include<stdio.h>
int main()
{
printf("%zd\n", sizeof(char *));
printf("%zd\n", sizeof(int *));
printf("%zd\n", sizeof(float *));
printf("%zd\n", sizeof(double *));
return 0;
} 根据我们在上面得出的结论，上图的代码在两种环境中得出的结果就不相同。https://i-blog.csdnimg.cn/direct/8302ff95b736442f9243c10c109a59c6.png
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？我们接下来渐渐分析。
1.指针的解引用
#include<stdio.h>
int main()
{
int n = 0x11223344;
char* pc = (char *) & n;
*pc = 0;
return 0;
} #include<stdio.h>
int main()
{
int n = 0x11223344;
int* pc = & n;
*pc = 0;
return 0;
} 通过调试，我们可以看到，代码2会将n的4个字节全部改为0，但是代码1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.指针加减整数 https://i-blog.csdnimg.cn/direct/443835666527472097b381c51003b57d.png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革。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大概向后走⼀步有多大（间隔）。 3.void*指针 在指针类型中有⼀种特殊的类型是 void * 类型的，可以明白为无具体类型的指针（大概叫泛型指针），这种类型的指针可以用来接受任意类型地址。但是也有范围性， void* 类型的指针不能直接举行指针的+-整数息争引用的运算。 https://i-blog.csdnimg.cn/direct/7a3da95f6283491cb5dc736eda396ecd.png 上图将该指针变量的类型本应该是int*，却使用了char*。所以下面就会报错误——类型不匹配。我们假如使用void*就不会出现这种情况。 四、const 修饰指针 1.const修饰变量 变量是可以修改的，假如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。 但是假如我们盼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举行修改，就不符合语法规则，就报错，致使没法直接修改n。 前面已经学习了指针，所以假如我们绕过n，使用n的地址，去修改n就能做到了，固然这样做是在打破语法规则。 https://i-blog.csdnimg.cn/direct/dbead977e4204c29bcda493724f68946.png 我们可以看到这里一个确实修改了，但是我们还是要思索⼀下，为什么n要被const修饰呢？就是为了不能被修改，假如p拿到n的地址就能修改n，这样就打破了const的限制，这是不公道的，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 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，意义是不一样的。
#include<stdio.h>
int main()
{
int n = 10;
int m = 20;
int* pn = &n;
*pn = 30;
pn = &m;
printf("%d", *pn);
return 0;
} 这是没有const修饰下的结果。
#include<stdio.h>
int main()
{
int n = 10;
int m = 20;
int const * pn = &n;
*pn = 30;
pn = &m;
printf("%d", *pn);
return 0;
} https://i-blog.csdnimg.cn/direct/518af7871e434d18a64ac98f7e94571c.png
当我们将const修饰指针变量放在*左边时，*pn就不能被改变了。
#include<stdio.h>
int main()
{
int n = 10;
int m = 20;
int * const pn = &n;
*pn = 30;
pn = &m;
printf("%d", *pn);
return 0;
} https://i-blog.csdnimg.cn/direct/8a8af52bdb0c44ff9f9574a626773da6.png
当我们将const修饰指针变量放在*右边时，pn就不能被改变了。
#include<stdio.h>
int main()
{
int n = 10;
int m = 20;
int const* const pn = &n;
*pn = 30;
pn = &m;
printf("%d", *pn);
return 0;
} https://i-blog.csdnimg.cn/direct/14166a811bc346f98b963c62e98c9d02.png
当我们将const修饰指针变量放在*双方边时，*pn和pn就都不能被改变了。
所以总的来说：const假如放在*的左边，修饰的是指针指向的内容，包管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假如放在*的右边，修饰的是指针变量本⾝，包管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 1.指针+- 整数 指针+- 整数其实我们在前面已经说起过了。由于数组在内存中是一连存放的，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。 https://i-blog.csdnimg.cn/direct/3d166c9013834081b513a36f90246482.png 2.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", my_strlen("abc"));
return 0;
} 在上述代码中，我们就使用了指针-指针实现了strlen函数的结果。
3.指针的关系运算
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/975b1f2fd703448286e8ab0dd79bf61d.png
六、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）。 什么情况会出现野指针呢，我们来分析一下。 1.指针未初始化 #include<stdio.h>
int main()
{
int* p;
*p = 10;
return 0;
} 2.指针越界访问
#include<stdio.h>
int main()
{
int arr = { 0 };
int* p = &arr;
int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr);
for (int i = 0; i <= sz; i++)
{
*p = i;
p++;
}
return 0;
} 3.指针指向的空间开释
#include<stdio.h>
int* test()
{
int n = 10;
return &n;
}
int main()
{
int* p=test();
printf("%d", *p);
return 0;
} 当test()函数运行完时，n作为局部变量，内存将被回收。
七、如何规避野指针
1.指针初始化
假如明确知道指针指向哪里就直接赋值地址，假如不知道指针应该指向哪里，可以给指针赋值NULL。NULL 是C语言中界说的⼀个标识符常量，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。 #include<stdio.h>
int main()
{
int* p= NULL;
return 0;
} 2.小心指针越界
⼀个步伐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。 3.指针变量不再使用时，实时置NULL，指针使用之前查抄有效性 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。由于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。 #include<stdio.h>
int main()
{
int arr = { 0 };
int* p= &arr;
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
*(p + i) = i;
}
//此时p已经越界了，可以把p置为NULL
p = NULL;
p = &arr;//重新让p获得地址
//下次使⽤的时候，判断p不为NULL的时候再使⽤
if (p != NULL)
{
//......
}
return 0;
} 4.避免返回局部变量的地址
如造成野指针的第3个例子，不要返回局部变量的地址。 八、assert 断言 assert.h 头文件界说了宏 assert() ，用于在运行时确保步伐符合指定条件，假如不符合，就报错终止运行。这个宏常常被称为“断言”。 assert(p != NULL); 上面代码在步伐运行到这一行语句时，验证变量 p 是否等于 NULL 。假如确实不等于 NULL ，步伐继承运用，否则就会终止运行，而且给出报错信息提示。assert() 宏接受⼀个表达式作为参数。假如该表达式为真（返回值非零）， assert() 不会产生任何作用，步伐继承运行。假如该表达式为假（返回值为零）， assert() 就会报错，在尺度错误流 stderr 中写入一条错误信息，表现没有通过的表达式，以及包罗这个表达式的文件名和行号。 使用 assert() 有几个好处：它不仅能主动标识文件和出问题的行号，另有⼀种无需更改代码就能开启或关闭 assert() 的机制。假如已经确认步伐没有问题，不须要再做断言，就在 #include<assert.h> 语句的前面，界说⼀个宏 NDEBUG #define NDEBUG
#include <assert.h> 然后，重新编译步伐，编译器就会禁用文件中所有的 assert() 语句。假如步伐有出现问题，可以移除这条 #define NDEBUG 指令（大概把它注释掉），再次编译，这样就重新启用了 assert() 语句。assert() 的缺点是，由于引⼊了额外的查抄，增加了步伐的运用时间。一般我们可以在 Debug 中使用，在 Release 版本中选择禁用 assert 就行，在 VS 这样的集成开发环境中，在 Release 版本中，直接就是优化掉了。这样在debug版本写有利于步伐员排查问题，在 Release 版本不影响用户使用时步伐的效率。 九、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吸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，终极返回长度。 假如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。 int length(const char* s)//防止*s在函数中被改变
{
int count = 0;
assert(s);//通过断言防止野指针
while (*s)
{
count++;
s++;
}
return count;
} 2.传值调用和传址调用
https://i-blog.csdnimg.cn/direct/a7c49d1b43a34ce0bb2673b894d68b5c.png
上面的调用就是传值调用，我们可以看出用这个方法互换数值很明显是错的，由于实参通报给形参的时候，形参会单独创建⼀份临时空间来吸收实参，对形参的修改不影响实参。那我们通过地址间接的操作main函数中的a和b，并到达互换的结果就好了。 #include<stdio.h>
void test(int* pa, int* pb)
{
int item;
item = *pa;
*pa = *pb;
*pb = item;
}
int main()
{
int a = 1, b = 2;
int* pa = &a;
int* pb = &b;
test(pa, pb);
printf("%d %d", a, b);
return 0;
} 我们将是a,b的地址作为实参通报给test函数，再通过解引用操作符的作用，我们可以将a,b所对应的数值举行互换。这种调用就叫传址调用。传址调用，可以让函数和主调函数之间建立真正的接洽，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须要主调函数中的变量值来实现盘算，就可以采用传值调用。假如函数内部要修改主调函数中的变量的值，就须要传址调用。
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