【C语言系列】深入理解指针（1）

前言

总所周知，C语言中指针部分是非常重要的，这一件我们会介绍指针相关的内容，当然后续我还会出大概4篇与指针相关的文章，来深入的讲解C语言指针部分，希望能够帮助到指针部分薄弱或者根本不会的程序员们，后续文章尽情期待！

一、内存和地址

1.1内存

电脑上有内存，那么我们就会想内存是怎样高效管理的呢？

其实，就是把内存分为一个一个的内存单元，每个内存单元的大小为1个字节。
其中，每个内存单元，相当于一个学生宿舍，一个字节空间里面能放8个比特位，就像同学们住的八人间，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。

计算机中常见的单位（补充）：
计算机在识别、存储、运算的时候都是使用的2进制；⼀个比特位可以存储⼀个2进制的位1或者0。

1byte（字节） = 8bit（比特位）
1KB = 1024byte（字节）（或者用2^10 =1024byte（字节）表示）
1MB= 1024KB（或者用2^10 =1024KB表示）
1GB = 1024MB（或者用2^10 =1024MB表示）
1TB = 1024GB（或者用2^10 =1024GB表示）
1PB = 1024TB（或者用2^10 =1024TB表示）

在计算机中我们把内存单元的编号称为地址，C语言中给地址起了新的名字叫：指针，即指针的本质就是地址，也就是内存单元的编号。

1.2究竟该如何理解编址

今天我们重点关注一下地址总线和数据总线，通过图可以看出，数据是从CPU输入（写）到内存中，然后由内存输出（读）到CPU上，CPU是通过地址总线来发送目标地址，访问内存位置；而内存是通过数据总线把数据传输给CPU的。

这张图我们可以简单理解，32位机器有32根地址总线，每根线只有两态，表示0/1（即电脉冲的有无），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。

总结：1、内存会被划分为一个一个的内存单元，每个内存单元的大小是1个字节。
2、每个内存单元都会给一个编号 == 地址 ==C语言中也叫指针。

二、指针变量和地址

2.1取地址操作符（&）

下面我们观察一段代码，并进行调试：

int main()
{
int a = 25;//变量创建的本质是什么呢？是在内存中开辟一块空间
//int占4个字节，&a ——>只取第1个字节的地址（即4个地址中最小的那个地址）
&a;//& —— 取地址操作符
printf("%p\n", &a);//%p —— 是专门用来打印地址的 —— 其实是以16进制的形式打印的
return 0;
}

运行结果如下图：

调试后发现a的地址为：0x00000090BB6FFAE4，并且以16进制形式打印出来（25转换为16进制的话就是19），当然编译器每次分配的地址可能是不一样的，可能打印的结果和地址会有差别，这是正常现象。

2.2指针变量和解引用操作符（*）

2.2.1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：0x00000090BB6FFAE4，这个数值有时候也是需要存储起来，方便后期再使用的，那我们把这个地址值存放在哪里呢？存放在指针变量。
如下图所示：

#include <stdio.h>
int main()
{
int a = 10;
int * p = &a;//取出a的地址，并存储到指针变量p中。
//地址 —— 指针
//p是指针变量 —— 存放指针的变量
//即指针变量是用来存放地址的变量
return 0;
}

注：指针变量也是一种变量，这种变量就是用来存放地址（指针）的，存放在指针变量中的值都会被理解为地址。

2.2.2如何拆解指针类型

int a = 20;
int *pa = &a;

结合上述代码我们可以看到，pa的类型是int*，那如何理解pa的类型呢？
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）。

2.2.3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？
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，这里使用的操作符叫解引用操作符(*)。

#include <stdio.h>
int main()
{
int a = 20;
int*p = &a;
*p = 100;
//解引用操作（间接访问操作符）*p等于a
//* —— 解引用操作符
printf("%d\n",a);
return 0;
}

*上面代码中第6行就使用了解引用操作符，p 的意思就是通过pa中存放的地址，找到指向的空间，p其实就是a变量了；所以p = 100，这个操作符是把a改成了100。
这里很容易理解错误，很多初学者认为这里把 a = 100；不就可以了吗？为什么要用指针呢？那是不是就没必要学指针呢？
答案当让是否认的，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，相信后期初学者就会慢慢理解了。
总结：1、指针其实就是地址；
2、指针变量是存放指针（地址）的。
一般口语中说的指针一般都是指：指针变量比如：int *p; 。

2.3指针变量的大小

前面我们了解过，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，那么64位机器也一样，就需要8个字节来存储。
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。
像上述指针变量p，是需要向内存申请一块空间的，这样才有能力存放地址。

那么指针变量的大小是多少呢？
指针变量是需要多大空间，是取决于存放的是什么？存放的是地址，地址的存放需要多大空间，指针变量的大小就是多大。
32位机器上（X86）：地址是32个0/1的二进制序列，存储起来需要32个bit位，也就是4个字节，指针变量的大小就是4个字节。
64位机器上（X64）：地址是64个0/1的二进制序列，存储起来需要64个bit位，也就是8个字节，指针变量的大小就是8个字节。
注：指针变量的大小与类型无关！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

3.1指针的解引用

接下来我们看下面两个代码：

int main()
{
int a = 0x11223344;
int* pa = &a;
*pa = 0;//00000000
return 0;
}

int main()
{
int a = 0x11223344;
char* pa = &a;
*pa = 0;//00332211
return 0;
}

观察上述代码得出结论：指针类型决定了指针进行解引用操作的时候访问多大空间。
int * 的指针解引用访问4个字节。
char *的指针解引用访问1个字节。
指针的类型决定了，对指针解引用的时候有多大的权限（依次能操作几个字节）。

3.2指针±整数

下面我们看这样一个代码：

#include <stdio.h>
int main()
{
int a = 10;
int*pa = &a;
char*pc = &a;
printf("pa = %p\n",pa);//00000043DC1FFC94
printf("pa + 1 = %p\n",pa + 1);//00000043DC1FFC98
printf("pc = %p\n",pc);//00000043DC1FFC94
printf("pc + 1 = %p\n",pc + 1);//00000043DC1FFC95
return 0;
}

运行结果如下图：

结论：指针类型决定了指针的步长，就是向前/向后走一步走多大距离。

type* p;

p + i是跳过i个type类型的数据，相当于跳过了i*size(type)个字节。

int*p;

p + 2相当于跳过2个int类型的数据，相当于跳过了2*size(int) = 8个字节。
根据实际的需要，选择适当的指针类型才能达到效果。

3.3void*指针

void指针可以理解为无具体类型的指针（或者叫泛型指针），可以用来接受任意类型的地址。但也有局限性，void类型的指针不能直接进行指针的±整数和解引用的运算。
我们观察下面的代码：

#include <stdio.h>
int main()
{
int a = 10;
void* pa = &a;
void* pc = &a;
*pa = 10;
*pc = 0;
return 0;
}

运行时会报错如下图所示：

这里我们观察后不难看出，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。
void*类型的指针到底有什么作用呢？

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

4.1const修饰变量

变量是可以被修改的，如果把变量的地址交给一个指针变量，通过指针变量也可以修改这个变量，但是如果我们希望⼀个变量不能被修改，那么我们就可以使用const修饰这个指针变量，这就是const的作用。
如下面代码所示：

#include <stdio.h>
int main()
{//const是常属性 —— 不能被修改了
const int n =10;//n是变量
n = 0;//这里会报错
//const修饰了n之后，n不能被修改了，但是n还是变量。
printf("%d\n",n);//C++中const修饰的n就是常量。
return 0;
}

上述代码中n是不能被修改的，其实n本质还是变量，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进行修改，就不符合语法规则，就会报错，致使无法直接修改n。

#include <stdio.h>
int main()
{
const int n = 10;
//n = 0;//err
int*p = &n;
*p = 20;
printf("n = %d\n",n);
return 0;
}

运行结果如下图：
这里直接给n的地址是可以修改n中的内容的，但是这打破了语法规则。

4.2const修饰指针变量

预备知识如下图：

⼀般来说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。

//两种情况
int * p;//没有const修饰
int const * p;//const 放在*的左边做修饰
int * const p;//const 放在*的右边做修饰

#include <stdio.h>
//const放在*的左边情况
void test1()
{
const int n = 10;
int m = 100;
const int* p = &n;
//*p = 20;//err
p = &m; //ok
}
//const放在*的右边情况
void test2()
{
const int n = 10;
int m = 100;
int * const p = &n;
//*p = 20; //0k
p = &m; //err 
printf("%d\n",n);
}
int main()
{
//测试const放在*的左边情况 
test1();
//测试const放在*的右边情况
test2();
return 0;
}

const修饰指针变量有2种情况：
1、const放在*的左边：限制的是 *p,意思是不能通过p来改变p指向的对象的内容，但p本身是可以改变的，p可以指向其他对象。
2、const放在 *的右边：限制的是p，意思是不能修改p本身的值，但是p指向的内容是可以通过p来改变的。

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

5.1指针±整数

数组在内存中是连续存放的，随着数组下标的增长，地址是由低到高变化的。

#include <stdio.h>
int main()
{
int arr[0] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
//打印数组内容
//下标：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
int i = 0;
int sz = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);
int*p = &arr[0];
for(i = 0;i < sz;i++)
{
printf("%d",*p);
p++;//p = p + 1;
//这里可以合起来写为：printf("%d",*(p+i));这里的p+i就是指针+整数
}
return 0;
}

5.2指针-指针

指针-指针，运算的前提是两个指针指向了同一块空间，指针-指针得到是指针和指针之间元素的个数。
指针-指针就好比日期-日期 ==天数，但是日期+日期就什么也不是了，所以也没有指针+指针。

#include <stdio.h>
int main()
{//指针-指针，运算的前提是两个指针指向了同一块空间
int arr[10] = {0};
printf("%d\n",&arr[9] - &arr[0]);//指针-指针 9
//&arr[0] - &arr[9];//9
return 0;
//指针-指针的绝对值是指针和指针之间的元素个数
}

strlen是库函数，是专门用来求字符串长度的，接下来我们用指针-指针来实现这个库函数，代码如下：

#include <stdio.h>
int my_strlen(char*p)
{
char*p1 = p;
while(*p != '\0')
{
p++;
}
return p - p1;
}
int main()
{
char arr[] = "abcdef";
//数组名其实就是数组首元素的地址
//arr == &arr[0];
int len = my_strlen(arr);
printf("%d\n",len);
return 0;
}

5.3指针的关系运算

#include <stdio.h>
int main()
{
int arr[] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
int sz =sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);
int*p = &arr[0];
while(p < arr + sz)//指针的关系运算(即指针的大小比较)
{
printf("%d",*p);
p++;
}
return 0;
}

六、野指针（很危险）

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）。

6.1野指针的成因

1.指针变量未初始化

#include <stdio.h>
int main()
{
int*p;//局部变量
//局部变量未初始化的时候，它的值是随机值0xcccccccc
*p = 20;
printf("%d\n",*p);
return 0;
}

2.指针越界访问

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;
}

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;
}

6.2如何规避野指针

6.2.1指针初始化

如果明确知道指针的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其值为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 a = 10;
int*pa = &a;
int*p = NULL;//NULL的值是0，0也是地址，这个地址是无法使用的，读写该地址会报错。
return 0;
}

int*p = NULL;
*p = 20;//这里会报错的

6.2.2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。

6.2.3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。

6.2.4避免返回局部变量的地址

如造成野指针的第3个例子，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”。(使用assert时，要包含头文件<assert.h>)。

assert(p != NULL);//验证变量p是否等于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。

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
int main()
{
int a = 0;
int*p = NULL;
assert(p != NULL);//err
*p = 20;
printf("%d\n",a);
return 0;
}

assert()有几个好处：它不仅能自动标识文件和出现问题的行数，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，不需要做断言，就可：

#define NDEBUG
#include <assert.h>

一般在Debug中使用，在Release版本中会被优化掉。
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。

八、指针的使用和传值使用

8.1strlen的模拟实现

库函数strlen的功能是求字符串长度，统计\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计数器就+1，直到遇到\0为止。

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
size_t my_strlen(const char*s)
{
size_t count = 0;
assert(s != NULL);
while(*s != '\0')
{
count++;
s++;
}
return count;
}
int main()
{
//strlen() —— 求字符串的长度 —— 统计的是字符串中\0之前的字符的个数。
char arr[] = "abcdef";
size_t len = my_strlen(arr);
printf("%zd\n",len);
return 0;
}

8.2传值调用和传址调用

题目：写一个函数，交换两个整型变量的值。

#include <stdio.h>
void Swap(int x,int y)//传值调用
{
int z = 0;
z = x;
x = y;
y = z;
}
int main()
{
int a = 10;
int b = 20;
printf("交换前：a = %d b = %d\n",a,b);//a = 10, b = 20
Swap(a,b);
printf("交换后：a = %d b = %d\n",a,b);//a = 10, b = 20
return 0;
}

运行结果如下图：

结论：当实参传递给形参的时候，形参是有自己独立的空间的，形参是实参的一份临时拷贝，对于形参的修改，不会影响实参。

#include <stdio.h>
void Swap2(int*pa,int*pb)//传址调用
{
int z = 0;
z = *pa;
*pa = *pb;
*pb = z;
}
int main()
{
int a = 10;
int b = 20;
printf("交换前：a = %d b = %d\n",a,b);//a = 10, b = 20
Swap2(&a,&b);
printf("交换后：a = %d b = %d\n",a,b);//a = 20, b = 10
return 0;
}

运行结果如下图：

总结：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。