14. C语言 指针(深入理解)

前言：

在 C 语言中，指针是一种存储变量地址的变量。它是理解计算机内存布局、动态内存分配和函数调用背后机制的重要工具。指针不仅能提高程序的灵活性，还能显著提升程序的性能。

什么是指针？

简单来说，指针就是一个变量，其值是另一个变量在内存中的地址。例如：

int a = 10; // 变量 a 的值为 10
int *p = &a; // 指针 p 存储的是变量 a 的地址

在这里：

• int *p; 定义了一个整型指针变量 p。
• &a 获取变量 a 的内存地址。
• p 存储的正是变量 a 的地址。

通过指针 p，我们可以访问 a 的值，使用解引用操作符 *：

printf("Value of a: %d\n", *p); // 输出 a 的值

内存与地址：指针的基础

理解指针之前，先认识内存地址的意义：

• 内存可以看作由一系列连续编号的单元组成。
• 每个变量都存储在特定的内存单元中，& 操作符可获取变量的地址。

示例代码：

#include <stdio.h>

int main() {
    int var = 20;  // 定义一个整型变量
    int *ip;       // 定义一个整型指针
    ip = &var;     // 获取 var 的地址并赋值给 ip

    printf("Address of var: %p\n", &var);
    printf("Address stored in ip: %p\n", ip);
    printf("Value of *ip: %d\n", *ip);

    return 0;
}

运行结果：

Address of var: 0x7ffeeaae08d8
Address stored in ip: 0x7ffeeaae08d8
Value of *ip: 20

指针的声明与使用

指针变量的声明

指针变量需要声明其类型，以确保指针指向的内存区域正确解释其内容。语法如下：

type *var_name;

示例：

• int *ip; —— 整型指针
• float *fp; —— 浮点型指针
• char *cp; —— 字符型指针

指针与地址的关系

在指针变量中存储地址后，可以通过 * 操作符解引用，访问地址对应的值：

int a = 100;
int *p = &a;
printf("Value of a: %d\n", *p); // 解引用获取 a 的值

注意：

1. p 是一个指针，存储的是地址。
2. *p 是指针指向地址中的值。

空指针与野指针

空指针（NULL Pointer）

空指针是一种特殊的指针，表示该指针不指向任何有效的内存地址。初始化指针为 NULL 是一种良好的编程习惯：

int *ptr = NULL;
if (ptr) {
    printf("Pointer is not NULL\n");
} else {
    printf("Pointer is NULL\n");
}

• NULL 常用于检查指针是否被初始化或是否有效。
• 在多数系统中，地址 0 是保留地址，不可访问。

野指针（Dangling Pointer）

未初始化的指针称为野指针。使用野指针可能导致程序行为未定义，因此，指针在创建后必须初始化：

int *p;      // 野指针
int a = 10;
p = &a;      // 初始化

指针进阶：从数组到函数

指针与数组

数组的名称是一个常量指针，指向数组的起始地址。通过指针可以遍历数组：

int arr[] = {1, 2, 3, 4};
int *p = arr;

for (int i = 0; i < 4; i++) {
    printf("Value at index %d: %d\n", i, *(p + i));
}

指针数组

指针数组是存储指针的数组。例如，一个存储字符串的数组可以定义为指针数组：

char *strings[] = {"Hello", "World", "C Language"};
for (int i = 0; i < 3; i++) {
    printf("%s\n", strings[i]);
}

指向指针的指针

C 语言允许使用多级指针。二级指针存储的是一级指针的地址：

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

printf("Value of a: %d\n", **pp);

函数指针

函数也有地址，可以通过函数指针调用函数：

#include <stdio.h>

void greet() {
    printf("Hello, World!\n");
}

int main() {
    void (*func_ptr)() = greet; // 定义一个函数指针
    func_ptr();                // 通过函数指针调用函数

    return 0;
}

指针的算术运算

指针支持基本算术运算，例如递增（++）、递减（--）和加减（+、-）。运算基于指针的类型大小：

int arr[] = {10, 20, 30};
int *p = arr;

printf("First element: %d\n", *p);
p++; // 移动到下一个元素
printf("Second element: %d\n", *p);

常见错误与调试技巧

1. 未初始化的指针：始终将指针初始化为 NULL 或有效地址。
2. 访问释放的内存：避免使用已经 free 的指针。
3. 指针越界：确保指针操作不超过分配的内存范围。

调试技巧：

• 使用调试器（如 gdb）检查指针的值和地址。
• 打印指针的值及其解引用结果，快速定位问题。

总结

指针是 C 语言的核心，掌握指针可以帮助你更深入理解底层操作。通过指针可以高效管理内存、优化代码，并实现许多高级功能。

推荐练习：

1. 定义一个指针，操作基本数据类型和数组。
2. 实现一个简单的动态内存分配程序。
3. 使用函数指针实现回调机制。

学习指针虽有挑战，但一旦掌握，你将在 C 编程中如鱼得水！