关于我重生到21世纪学C语言这件事——指针详解(1)
人无完人，持之以恒，方能见真我！！！
共同进步！！
文章目录
- 1. 内存和地址
- 2. 指针变量和地址
- 3. 指针变量类型的意义
- 4. const修饰指针
- 5. 指针运算
- 6. 野指针
- 7. assert断⾔
- 8. 指针的使⽤和传址调⽤
1. 内存和地址
1.1 内存
在讲内存和地址之前，我们想一个⽣活中的案例：
假设有⼀栋宿舍楼，把你放在楼⾥，楼上有100个房间，但是房间没有编号，你的⼀个朋友来找你玩，如果想找到你，就得挨个房⼦去找，这样效率很低，但是我们如果根据楼层和楼层的房间的情况，给每个房间编上号，如：
⼀楼： 101 ， 102 ， 103...
⼆楼： 201 ， 202 ， 203...
有了房间号，如果你的朋友得到房间号，就可以快速的找房间，找到你。
⽣活中，每个房间有了房间号，就能提⾼效率，能快速的找到房间。
如果把上⾯的例⼦对照到计算机中，⼜是怎么样呢？
我们知道计算机上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。
计算机中常⻅的单位（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，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⻔牌号），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。
⽣活中我们把⻔牌号也叫地址，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
1.2 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。
钢琴、吉他上⾯没有写上“剁、来、咪、发、唆、拉、西”这样的信息，但演奏者照样能够准确找到每⼀个琴弦的每⼀个位置，这是为何？因为制造商已经在乐器硬件层⾯上设计好了，并且所有的演奏者都知道。本质是⼀种约定出来的共识！
⾸先，必须理解，计算机内是有很多的硬件单 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。
硬件编址也是如此
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。
2. 指针变量和地址
2.1 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：
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;
printf("%p\n", &a);
return 0;
}
按照我画图的例⼦，会打印处理：006FFD70
&a取出的是a所占4个字节中地址较⼩的字节的地
址。
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。
2.2 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：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。
2.2.2 如何拆解指针类型
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？
2.2.3 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7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.
有 UU 肯定在想，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，后期慢慢就能理解了。
2.3 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，指针变量的⼤⼩就是 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("%zd\n", sizeof(char *));
printf("%zd\n", sizeof(short *));
printf("%zd\n", sizeof(int *));
printf("%zd\n", sizeof(double *));
return 0;
}
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。
3. 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。
3.1 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。
#include <stdio.h>
int main()
{
int n = 0x11223344;
int *pi = &n;
*pi = 0;
return 0;
}
#include <stdio.h>
int main()
{
int n = 0x11223344;
char *pc = (char *)&n;
*pc = 0;
return 0;
}
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。
3.2 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;
}
代码运⾏的结果如下：
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。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或者向后⾛⼀步有多⼤（距离）。
3.3 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。
#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（如下图），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;
*pa = 10;
*pc = 0;
return 0;
}
VS编译代码的结果：
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 v oid* 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，在《深⼊理解指针(4)》中我们会讲解。
4. const修饰指针
4.1 const修饰变
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;
}
输出结果：
我们可以看到这⾥⼀个确实修改了，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？
4.2 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。
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
具体分析⼀下：
#include <stdio.h>
//代码1 - 测试⽆const修饰的情况
void test1()
{
int n = 10;
int m = 20;
int *p = &n;
*p = 20;//ok?
p = &m; //ok?
}
//代码2 - 测试const放在*的左边情况
void test2()
{
int n = 10;
int m = 20;
const int* p = &n;
*p = 20;//ok?
p = &m; //ok?
}
//
代码3 - 测试const放在*的右边情况
void test3()
{
int n = 10;
int m = 20;
int * const p = &n;
*p = 20; //ok?
p = &m; //ok?
}
// 代码 4 - 测试 * 的左右两边都有 const
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。
5. 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
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};
#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;
}
5.2 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;
}
5.3 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 sz = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);
while(p<arr+sz) //指针的⼤⼩⽐较
{
printf("%d ", *p);
p++;
}
return 0;
}
6. 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）
6.1 野指针成因
6.1.1 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;
}
6.1.2 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;
}
6.1.3 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;
}
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 = #
int* p2 = NULL;
return 0;
}
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。
我们可以把野指针想象成野狗，野狗放任不管是⾮常危险的，所以我们可以找⼀棵树把野狗拴起来， 就相对安全了，给指针变量及时赋值为NULL，其实就类似把野狗栓起来，就是把野指针暂时管理起来。
不过野狗即使拴起来我们也要绕着⾛，不能去挑逗野狗，有点危险；对于指针也是，在使⽤之前，我 们也要判断是否为NULL，看看是不是被拴起来起来的野狗，如果是不能直接使⽤，如果不是我们再去使⽤。
int main()
{
int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
int* p = &arr[0];
int i = 0;
for (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;
}
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。
7. 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 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 NDEBUG 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 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版本写有利于程序员排查问题，在 Release 版本不影响⽤⼾使⽤时程序的效率。
8. 指针的使⽤和传址调⽤
8.1 strlen的模拟实现
库函数strlen的功能是求字符串⻓度，统计的是字符串中 \0 之前的字符的个数。
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，最终返回⻓度。 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。
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;
}
8.2 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：
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);
printf("交换前：a = % d b = % d\n", a, b);
Swap1(a, b);
printf(" 交换后： a=%d b=%d\n", a, b);
return 0;
}
我们发现其实没产⽣交换的效果，这是为什么呢？
咱们调试⼀下：
我们发现在main函数内部，创建了a和b，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Swap1是失败的了。
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。
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;
}
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。
到这里就是对指针的初步了解了，博主会在后面的文章中继续为大家分享指针的知识，还望大家多多支持！！！