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【C语言】深入理解指针（一）：从基础到高级应用

article 2025/3/25 19:52:46

前言

在C语言中，指针是一个非常重要的概念，它不仅能够帮助我们高效地操作内存，还能实现许多复杂的功能。然而，指针也是一个容易让人感到困惑的话题，许多初学者在学习指针时会遇到各种问题。今天，就让我们一起深入探讨指针的奥秘，从基础概念到高级应用，逐步揭开指针的神秘面纱。

一、引言：为什么我们需要指针？

在C语言中，指针是一种特殊的变量，它存储的是内存地址。通过指针，我们可以直接访问和操作内存中的数据。这使得指针在许多场景下都非常有用，比如动态内存分配、数组和字符串操作、函数参数传递等。掌握指针的使用，能够让你的代码更加高效、灵活。

二、内存和地址：指针的基石

在计算机中，内存是用于存储数据的地方。为了能够快速访问内存中的数据，每个内存单元都有一个唯一的编号，这个编号就是地址。在C语言中，我们用指针来表示这些地址。

（一）内存单元与地址

计算机的内存被划分为一个个内存单元，每个内存单元的大小为1个字节。每个内存单元都有一个唯一的地址，就像宿舍房间的门牌号一样。CPU通过这些地址来访问内存中的数据。
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（二）编址原理

计算机中的编址是通过硬件设计完成的。以32位机器为例，它有32根地址总线，每根线可以表示0或1。因此，32根地址线可以表示 2^32种不同的地址，每种地址对应一个内存单元。地址总线的作用就是将地址信息传递给内存，从而找到对应的内存单元。
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三、指针变量和地址：如何操作指针

（一）取地址操作符（&）
在C语言中，我们可以通过取地址操作符&来获取变量的地址。例如：

int a = 10;
printf("%p\n", &a); // 打印变量a的地址

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这段代码会打印出变量a在内存中的地址。并且&a取出的是a所占4个字节地址较小的字节地址。所以我们只要知道了第一个字节地址，就可以访问到4个字节的数据。

（二）指针变量

指针变量是用来存储地址的变量。例如：

int a = 10;
int* pa = &a; // 将变量a的地址存储到指针变量pa中

在这里，pa是一个指针变量，它存储了变量a的地址。
指针变量类型：int* /*表示pa是指针变量， int表示pa所指的是整型类型的对象
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（三）解引用操作符（*）

解引用操作符*用于通过指针访问它指向的对象。例如：

int main
{
   int a = 100;
   int * pa = &a;
   *pa = 0; // 通过指针pa修改变量a的值
   return 0;
}

这段代码通过指针pa将变量a的值修改为0。

（四）指针变量的大小

指针变量的大小取决于地址的大小。在32位平台上，地址是32个bit位，指针变量的大小是4个字节；在64位平台上，地址是64个bit位，指针变量的大小是8个字节。
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四、指针变量类型的意义
虽然指针变量的大小和类型无关，但指针类型仍然有其特殊的意义。

（一）指针的解引用

指针类型决定了对指针解引用时的权限，即一次能操作多少个字节。例如：

int n = 0x11223344;
int *pi = &n;
*pi = 0; // 将n的4个字节全部改为0

char *pc = (char *)&n;
*pc = 0; // 只将n的第一个字节改为0

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在这里，int类型的指针解引用时可以操作4个字节，而char类型的指针解引用时只能操作1个字节。

（二）指针±整数

指针类型还决定了指针向前或向后移动一步的距离。例如：

int n = 10;
char *pc = (char*)&n;
int *pi = &n;

printf("%p\n", pc);   // 打印pc的地址
printf("%p\n", pc+1); // 打印pc+1的地址
printf("%p\n", pi);   // 打印pi的地址
printf("%p\n", pi+1); // 打印pi+1的地址

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char类型的指针变量+1会跳过1个字节，而int类型的指针变量+1会跳过4个字节。

（三）void*指针

void是一种特殊的指针类型，它可以用来接收任意类型数据的地址。但void类型的指针不能直接进行指针±整数和解引用的运算。它通常用于函数参数部分，实现泛型编程的效果。

int a = 10;
void* pa = &a;

五、const修饰指针：如何限制指针的修改

const关键字在C语言中用于修饰变量，使其值不能被修改。同样，const也可以修饰指针变量，但它修饰的位置不同，意义也会有所不同。

（一）const修饰变量

int m = 0;
m = 20; // m可以被修改

const int n = 0;
n = 20; // n不能被修改

虽然变量加上了const不能修改，但是我们可以通过访问变量的地址间接修改变量的值。代码如下：

int main()
{
	const int n = 100;
	int* pa = &n;
	*pa = 20;
	printf("%d\n", n);
	return 0;
}

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（二）const修饰指针变量

int n = 10;
int m = 20;

const int* p1 = &n; // const在*的左边，修饰指针指向的内容
*p1 = 20; // 错误，不能通过p1修改n的值
p1 = &m;  // 正确，p1可以指向其他变量

int *const p2 = &n; // const在*的右边，修饰指针变量本身
*p2 = 20; // 正确，可以通过p2修改n的值
p2 = &m;  // 错误，p2不能指向其他变量

const int* const p3 = &n; // *的左右两边都有const
*p3 = 20; // 错误，不能通过p3修改n的值
p3 = &m;  // 错误，p3不能指向其他变量

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六、指针运算：如何使用指针进行计算

指针的基本运算包括指针±整数、指针-指针和指针的关系运算。

（一）指针±整数

指针±整数的运算在数组操作中非常常见。通过指针+整数，我们可以快速访问数组中的元素。

int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
int *p = &arr[0];
for(int i = 0; i < 10; i++)
{
    printf("%d ", *(p+i)); // 通过指针+整数访问数组元素
}

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（二）指针-指针

指针-指针的运算可以用来计算两个指针之间的距离。例如，在字符串操作中，我们可以通过指针-指针来计算字符串的长度。（前提是两个指针指向的是同一个空间）

int my_strlen(char* s)
{
	char* p = s;
	while (*p != '\0')
	{
		p++;
	}
	return p - s; // 输出字符串的长度
}
int main()
{
	printf("%d\n", my_strlen("abc"));
	return 0;
}

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（三）指针的关系运算

指针的关系运算可以用来比较两个指针的大小。例如，在数组操作中，我们可以通过指针的关系运算来判断指针是否越界。

#include <stdio.h>
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]);
	while (p < arr + sz) // 判断指针是否越界
	{
		printf("%d ", *p);
		p++;
	}
	return 0;
}

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七、野指针：指针的危险地带

野指针是指指针指向的位置是不可知的、随机的或不正确的。野指针的成因主要有以下几种：

（一）指针未初始化

int *p; // 局部变量指针未初始化，默认为随机值
*p = 20; // 野指针操作，可能导致程序崩溃

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（二）指针越界访问

int arr[10] = {0};
int *p = &arr[0];
for(int i = 0; i <= 11; i++) // 超出数组范围
{
    *(p++) = i; // p成为野指针
}

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（三）指针指向的空间释放

int* test()
{
    int n = 100;
    return &n; // 返回局部变量的地址，导致野指针
}

（四）如何规避野指针

指针初始化：如果明确指针指向哪里，就直接赋值地址；如果不知道，可以给指针赋值NULL。
小心指针越界：访问指针时，确保它指向的范围是合法的。
指针变量不再使用时，及时置NULL，使用之前检查有效性。
避免返回局部变量的地址。

int main()
{
	int num = 10;
	int* p1 = &num;
	int* p2 = NULL;
	return 0;
}

八、assert断言：如何确保指针的安全

assert是一个非常有用的工具，它可以帮助我们在运行时检查程序是否符合指定条件。如果条件不满足，程序会报错终止运行。

#include <assert.h>
int main()
{
    int *p = NULL;
    assert(p != NULL); // 如果p为NULL，程序会报错终止
    return 0;
}

assert的优点是可以自动标识文件和出问题的行号，而且可以通过定义NDEBUG宏来启用或禁用assert。在Debug版本中，assert可以帮助我们排查问题；在Release版本中，可以禁用assert以提高程序效率。

九、指针的使用和传址调用：如何利用指针解决问题

（一）strlen的模拟实现

strlen函数用于计算字符串的长度。我们可以通过指针来实现这个功能。

int my_strlen(const char *str)
{
    int count = 0;
    assert(str); // 确保指针不为NULL
    while(*str)
    {
        count++;
        str++;
    }
    return count;
}

（二）传值调用和传址调用

传值调用和传址调用是函数调用的两种方式。传值调用是将变量的值传递给函数，函数内部对形参的修改不影响实参；传址调用是将变量的地址传递给函数，函数内部可以通过指针修改实参的值。

void Swap1(int x, int y) // 传值调用
{
    int tmp = x;
    x = y;
    y = tmp; // 修改形参，不影响实参
}

void Swap2(int* px, int* py) // 传址调用
{
    int tmp = 0;
    tmp = *px;
    *px = *py;
    *py = tmp; // 通过指针修改实参
}

十、总结

指针是C语言中一个非常强大且灵活的工具。通过深入理解内存和地址、指针变量和地址、指针变量类型的意义、const修饰指针、指针运算、野指针、assert断言以及指针的使用和传址调用，我们可以更好地掌握指针的使用方法，避免常见的错误，提高程序的效率和安全性。
希望这篇文章能帮助你更好地理解指针。如果你对指针还有其他疑问，欢迎在评论区留言，我们一起探讨！