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C语言指针专题一 -- 指针基础原理

article 2025/2/1 21:41:42

1. 指针概念

地址和变量

指针

2. 指针的声明与初始化

3. 指针的使用

指针访问

指针的运算

指针与数组

指针与函数

4. 编程实例

5. 指针的常见陷阱与防御

6. 总结

1. 指针概念

地址和变量

在C语言中，地址和变量是两个基本但非常重要的概念。

1. 变量是指程序中用于存储数据值的命名位置。每个变量都有一个特定的数据类型，这决定了它可以存储的数据种类（如整数、字符、浮点数等）以及需要分配多少内存空间。创建变量时，系统会在计算机的内存中为该变量分配一块空间，并将你选择的名字与这块空间关联起来。之后，你可以通过这个名字来访问或修改这块内存中的数据。

int age = 25;

这里age就是一个变量，它的类型是int，表示它存储的是一个整数值。在这个例子中，age被初始化为25。

2. 地址指的是内存中的具体位置。当你声明一个变量时，系统会为其分配一定的内存空间，而这个空间的起始位置就是该变量的地址。可以通过取地址运算符&来获取变量的地址。地址是一个非常关键的概念，尤其是在处理指针时。指针是一种特殊的变量，它存储的是另一个变量或函数的地址，而不是直接存储数据值。

int age = 25;
printf("变量age的地址: %p", (void*)&age);

这段代码打印出变量age的地址。注意这里的(void*)是为了确保地址以正确的格式输出；在C语言中，使用%p格式说明符来打印指针（地址）。

变量是你用来命名并存储数据的地方。每个变量都有其特定的数据类型，并占用一定数量的内存。地址则是这些变量在内存中的具体位置。

指针

指针变量：指针变量是用来存储内存地址的变量。指针变量的类型决定了它所指向的数据类型。
地址运算符&：用于获取变量的内存地址。
间接寻址运算符*：用于访问指针所指向的内存地址中的数据。

指针指向的内存区域中的数据称为指针的目标。

2. 指针的声明与初始化

指针的声明格式如下：

数据类型 *指针变量名;

例如：

int *p;  // 声明一个指向int类型数据的指针p

指针的初始化通常是通过将某个变量的地址赋值给指针：

int a = 10;
int *p = &a;  // 将变量a的地址赋值给指针p

3. 指针的使用

指针访问

通过指针可以访问和修改它所指向的变量的值：

int a = 10;
int *p = &a;
*p = 20;  // 通过指针p修改a的值为20

指针的运算

指针可以进行加减运算，运算的结果是指针向前或向后移动若干个元素的位置。指针的运算通常用于数组操作。

int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int *p = arr;  // p指向数组的第一个元素
p++;  // p现在指向数组的第二个元素

指针与数组

数组名本身就是一个指针，它指向数组的第一个元素。数组的指针是指数组在内存中的起始地址，数组元素的地址是指数组元素在内存中的起始地址。

通过指针可以遍历数组：

int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int *p = arr;
for (int i = 0; i < 5; i++) {
    printf("%d ", *(p + i));  // 输出数组的每个元素
}

假定指针变量px的地址值等于数组指针x（即指针变量px指向数组的首元数），则：x[i] 、*(px+i)、*(x+i) 和px[i]具有完全相同的功能：访问数组第i+1个数组元素。

指针与函数

指针可以作为函数的参数，使得函数能够修改实参的值：

void increment(int *p) {
    (*p)++;  // 通过指针修改实参的值
}

int main() {
    int a = 10;
    increment(&a);  // 传递a的地址
    printf("%d", a);  // 输出11
    return 0;
}

4. 编程实例

实例1：使用指针交换两个变量的值

#include <stdio.h>

void swap(int *a, int *b) {
    int temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

int main() {
    int x = 10, y = 20;
    printf("Before swap: x = %d, y = %d\n", x, y);
    swap(&x, &y);
    printf("After swap: x = %d, y = %d\n", x, y);
    return 0;
}

实例2：使用指针遍历数组

#include <stdio.h>

int main() {
    int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int *p = arr;
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d ", *(p + i));
    }
    return 0;
}

实例3：使用指针作为函数参数修改数组元素

#include <stdio.h>

void modifyArray(int *arr, int size) {
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        arr[i] *= 2;  // 将数组中的每个元素乘以2
    }
}

int main() {
    int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    modifyArray(arr, 5);
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    return 0;
}

实例4：函数指针实现排序策略

#include <stdio.h>

// 比较函数类型
typedef int (*CompareFunc)(int, int);

void bubbleSort(int arr[], int n, CompareFunc compare) {
    for (int i=0; i<n-1; i++) {
        for (int j=0; j<n-i-1; j++) {
            if (compare(arr[j], arr[j+1]) > 0) {
                int temp = arr[j];
                arr[j] = arr[j+1];
                arr[j+1] = temp;
            }
        }
    }
}

int ascending(int a, int b) { return a - b; }  // 升序
int descending(int a, int b) { return b - a; } // 降序

int main() {
    int arr[] = {5, 2, 8, 1, 3};
    int n = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);

    // 使用升序排序
    bubbleSort(arr, n, ascending);
    for (int i=0; i<n; i++) printf("%d ", arr[i]); // 输出1 2 3 5 8

    // 使用降序排序
    bubbleSort(arr, n, descending);
    printf("\n");
    for (int i=0; i<n; i++) printf("%d ", arr[i]); // 输出8 5 3 2 1

    return 0;
}

5. 指针的常见陷阱与防御

野指针（Dangling Pointer）
- 指向已释放内存的指针，访问会导致未定义行为。
- 防御：释放后立即置空指针。
```
int *p = (int*)malloc(sizeof(int));
free(p);
p = NULL; // 防止野指针
```
内存泄漏
- 分配内存后未释放。
- 防御：确保每个malloc都有对应的free。
越界访问
- 指针操作超出合法内存范围。
- 防御：严格检查指针偏移量。