4.2 地址和指针
4.1节介绍的数学函数的特点是：做计算，然后返回一个值。有时候，我们要做的事情 并不是“计算”——如交换两个变量；而有时候，我们需要返回两个甚至更多的值——如解一个二元一次方程组。
4.2.1 变量交换
程序4-4 用函数交换变量（错误）
#include<stdio.h>
void swap(int a, int b)
{
int t = a; a = b; b = t;
}
int main()
{
int a = 3, b = 4;
swap (3, 4) ;
printf("%d %d\n", a, b) ;
return 0;
}
你应当还记得，这就是三变量交换算法，其中void是“无值”的意思。返回“无值型" 的函数没有返回值，可以用不带参数的return语句退出，也可以在函数体执行完毕后自然退出。下面我们测试一下这个函数好不好用。很不幸，输出是3 4，而不是4 3。事实上，a和b并没有被交换。为什么会这样呢？为了理解它，请回忆赋值。“诡异”的赋值语句a=a+1是这样解释的：分为两步，首先计算赋值符号右边的a+1，然后把它装入变量a，覆盖它原来的值。那函数调用的过程又是怎样的呢？
第一步，计算参数的值。在上面的例子中，因为a=3，b=4，所以swap(a,b)等价于swap（3，4）。这里的3和4被称为实际参数（简称实参）。
第二步，把实参赋值给函数声明中的a和b。注意，这里的a和b与调用时的a和b是完全不同的。前面已经说过，实参最后将算出具体的值，swap函数知道调用它的参数是3和4，却不知道它们是怎么算出来的。
函数声明中的a和b称为形式参数（简称形参）。
稍等一下，这里有个问题！这样一来，程序里有两个变量a，一个在main函数里定义，一个是swap的形参，二者不会混淆吗？不会。函数（包括main函数）的形参和在该函数里定义的变量都被称为该函数的局部变量（local variable）。不同函数的局部变量相互独立——你无法访问其他函数的局部变量。需要注意的是，局部变量的存储空间是临时分配的，函数执行完毕时，局部变量的空间将被释放，其中的值无法保留到下次使用。与此对应的是全局变量（global variable）：它在函数外声明，可以在任何时候，由任何函数访问。需要注意的是，全局变量非常危险，应该谨慎使用。
提示4-11：函数的形参和在函数内声明的变量都是该函数的局部变量。无法访问其他函数的局部变量。局部变量的存储空间是临时分配的，函数执行完毕时，局部变量的空间将被释放，其中的值无法保留到下次使用。在函数外声明的变量是全局变量，它们可以被任何函数使用。操作全局变量有风险，应谨慎使用。
这样一来，函数的调用过程就可以简单说成：计算实参的值，赋值给对应的形参，然后把“当前代码行”转移到函数的首部。换句话说，在函数刚开始执行时，局部变量 a=3，b=4，二者的值是在函数调用时，由实参复制而来。
那么执行完毕后，函数又干了些什么呢？把返回值扔给调用它的函数，然后再次修改 “当前代码行”，恢复到调用它的地方继续执行。等一下！函数是如何知道该返回到哪里继续执行的呢？为了解释这一问题，我们需要暂时把讨论变得学术一些——不要紧张，很快就会结束。
4.2.2 调用栈
还记得在讲解for循环时，笔者是如何建议的吗？多演示程序执行的过程，把注意力集中在“当前代码行”的转移和变量值的变化。这个建议同样适用于对函数的学习，只是要加一样东西——调用栈（Call Stack）。
调用栈描述的是函数之间的调用关系。它由多个栈帧（Stack Frame）组成，每个栈帧对应着一个未运行完的函数。栈帧中保存了该函数的返回地址和局部变量，因而不仅能在执行完毕后找到正确的返回地址，还很自然地保证了不同函数间的局部变量互不相干——因为不同函数对应着不同的栈帧。
提示4-12：C语言用调用栈（Call Stack）来描述函数之间的调用关系。调用栈由栈帧（Stack Frame）组成，每个栈帧对应着一个未运行完的函数。在gdb中可以用backtrace（简称bt）命令打印所有栈帧信息。若要用p命令打印一个非当前栈帧的局部变量，可以用frame命令选择另一个栈帧。
在继续学习之前，建议读者试着调试一下刚才几个程序，除了关心“当前代码行”和变量的变化之外，再看看调用栈的变化。强烈建议你在执行完函数的主体但还没有返回main函数之前，停下来看看swap和main函数所对应的栈帧中a和b的值。如果受条件所限制，在阅读到这里时没有办法完成这个实验，下面给出了用gdb完成上述操作的命令和结果。
第一步：编译程序
gcc 4-4.c -g
生成可执行程序a.exe(在Linux编译选项下是a.out）。编译选项-g告诉编译器生成调试信息。
第二步： 运行gdb
gdb a.exe
这样，gdb在运行时会自动装入刚才生成的可执行程序。
第三步 ： 查看源码
(gdb) 1
1 #include<stdio.h>
2 void swap(int a, int b)
3 {
4 int t = a; a = b; b = t;
5 }
6
7 int main()
8 {
9 int a = 3, b = 4;
10 swap(3, 4);
11 printf("%d %d\n", a, b);
12 return 0;
13 }
这里(gdb)是gdb的提示符，字母1是输入的命令，它是list（列出程序清单）的缩写。正如我们所看到的，swap函数的最后一行是第4行，当执行到这一行时，swap函数的主体已经结束，但函数还没有返回。
第四步： 加断点并运行
(gdb) b 4
Breakpoint 1 at 0x401308: file 4-4.c, line 4.
(gdb) r
Starting program: D:\a.exe
Breakpoint 1, swap (a=4, b=3) at 4-4.c:4
4 }
其中b命令把断点设在了第4行，r命令运行程序，之后碰到了断点并停止。接下来， 让我们来看看调用栈吧。
第五步：查看调用栈
(gdb) bt
#0 swap (a=4, b=3) at 4-4.c:4
#1 0x00401356 in main () at 4-4.c:8
(gdb) p a
$1 = 4
(gdb) p b
$2 = 3
(gdb) up
#1 0x00401356 in main () at 4-4.c:8
8 swap(3, 4);
(gdb) p a
$3 = 3
(gdb) p b
$4 = 4
这一步是关键。根据bt命令，调用栈中包含两个栈帧：#0和#1，其中0号是当前栈帧函数，1号是它的“上一个”栈帧——main函数。在这里我们甚至能看到swap函数的返回地址0x00401356，尽管我们看不懂它的具体含义。
使用p命令可以打印变量值。我们先查看了当前栈帧中a和b的值，分别等于4和3——这正是用三变量法交换后的结果。接下来用up命令选择上一个栈帧，再次使用p命令查看a和b的值，这次却是3和4了——它们是main函数中的a和b。前面说过，在函数调用时，它们只起到了“计算实参数”的作用。但实参被赋值到形参之后，main函数中的a和b也完成了它们的使命。swap函数甚至无法知道函数中也有着和形参同名的a和b变量，当然也就无法修改它们。最后别忘了用q命令退出gdb。
花了这么多篇幅解释调用栈和栈帧，你也许会觉得有点不值，但无数的经验告诉笔者：理解它们对于今后的学习和编程是至关重要的，特别是递归——初学者学习语言的最大障碍之一，调用栈将大大帮助理解。
4.2.3 用指针实现变量交换
是时候回到我们的函数中来了：好不容易讲清楚了为什么刚才的不能奏效，那应该如何编写swap函数呢？答案是用指针。
程序 4-5 用函数交换变量 (正确〉
#include<stdio.h>
void swap(int* a,int* b)
{
int t = *a; *a = *b; *b = t;
}
int main()
{
int a = 3, b = 4;
swap(&a, &b);
printf("%d %d\n", a, b) ;
return 0;
}
怎么样，是不是觉得不太习惯，却又有点似曾相识呢？不太习惯的是int和a中间的“乘号”，而似曾相识的是swap(&a,&b)这种“变量名前面加&”的用法——到目前为止，唯一采取这种用法的是scanf系列函数，而只有它改变了实参的值！
变量名前面加&得到的是该变量的地址。什么叫“地址”呢？
提示4-13：C语言的变量都是放在内存中的，而内存中的每个字节都有一个称为地址（address）的编号。每个变量都占有一定数目的字节（可用sizeof运算符获得），其中第一个字节的地址称为变量的地址。
下面用gdb来调试上面的程序，看看它和程序4-4到底有什么不同。前四步是一样的， 直接看看调用栈。
(gdb) bt
#0 swap (a=0x22ff74, b=0x22ff70) at 4-5.c:4
#1 0x0040135c in main () at 4-5.c:8
(gdb) p a
$1 = (int *) 0x22ff74
(gdb) p b
$2 = (int *) 0x22ff70
(gdb) p *a
$3 = 4
(gdb) p *b
$4 = 3
(gdb) up
#1 0x0040135c in main () at 4-5.c:8
8 swap(&a, &b);
(gdb) p a
$5 = 4
(gdb) p b
$6 = 3
(gdb) p &a
$7 = (int *) 0x22ff74
(gdb) p &b
$8 = (int *) 0x22ff70
在打印a和b的值时，得到了“诡异”的东西——(int *)0x22ff74和(int *)0x22ff70数值0x22ff74和0x22ff70是两个地址（以0x开头的整数以十六进制表示，在这里暂时不需了解细节），而前面的(int*)告诉我们：a和b是指向int类型的指针。
提示4-14：用int *a声明的变量a是指向int型变量的指针。赋值a=&b的含义是把变量b的地址存放在指针a中，表达式*a代表a指向的变量，它既可以放在赋值符号的左边（左值），也可以放在右边（右值）。
注意：*a是指“a指向的变量”，而不仅是“a指向的变量所拥有的值”。理解这一点 相当重要。例如，*a=*a+1就是让a指向的变量自增1。你甚至可以把它写成(*a++)。注意不要写成*a++，因为++运算符的优先级高于“取内容”运算符*，实际上会被解释成*(a++)。
很复杂是吗？是的！有了指针，C语言突然变得复杂了很多。一方面，你需要了解更多底层的东西才能彻底解释一些问题——包括运行时的地址空间布局，以及操作系统的内存管理方式等。另一方面，指针的存在，使得C语言中变量的说明变得异常复杂了——你能轻易地说出用char * const *(*next)()声明的next是什么类型的吗？毫不夸张地说，指针是程序员（不仅是初学者）杀手。
既然如此，我们应当如何使用指针呢？别忘了本书的背景——算法竞赛。算法竞赛的核心是算法，我们没有必要纠缠如此复杂的语言特性。了解底层的细节是有益的（事实上， 我们已经介绍了一些底层细节！），但我们在编程时应尽量避开，只遵守一些注意事项即可。
提示4-15：千万不要滥用指针，这不仅会把自己搞糊涂，还会让程序产生各种奇怪的错误。 事实上，本书的程序会很少使用指针。
再次回到我们的主题：对正确swap程序的调试。在程序中，a和b都是局部变量，在函数执行完毕以后就不复存在了，但是a和b里保存的地址却依然有效——它们是main函数中的局部变量a和b的地址。在main函数执行完毕之前，这两个地址将始终有效，并且分别指向main函数的局部变量a和b。程序交换的是*a和*b，也就是main函数中的局部变量3和15。
4.2.4初学者易犯的错误
这个swap函数看似简单，但初学者还是很容易写错。一种典型的错误写法是:
void swap(int* a, int* b)
{
int *t = a; a = b; b = t;
}
它交换了swap函数的局部变量a和b (辅助变量t必须是指针。int t=a是错误的）， 但却始终没有修改它们指向的内容，因此main函数中的a和b不会改变。另一种错误写法是：
void swap(int* a, int* b)
{
int *t;
*t= *a; *a = *b; *b = *t;
}
这个程序错在哪里？ t是一个指向int型的指针，因此*t是一个整数。用一个整数作为辅助变量去交换两个整数有何不妥？事实上，如果你用这个函数去替换程序4-5，很可能会得到“4 3”的正确结果。为什么我要坚持说它是错误的呢？
问题在于，t存储的地址是什么？也就是说，t指向哪里？因为t是一个变量（指针也是一个变量，只不过类型是“指针”而已），所以根据规则，它在赋值之前是不确定的。如果这个“不确定的值”所代表的内存单元恰好是能写入的，那么这段程序将正常工作；但如果它是只读的，程序可能会崩溃！不信的话，赋初值int *t = 0试试，看看内存地址“0” 到底能不能写。
花了这么多篇幅，我们终于初步理解了地址和指针——尽管只是初步理解，但是为将来的学习奠定了良好的基础。指针有很多巧妙但又令人困惑的用法。如果你曾听别人说过有一种语法，但在完整地学习本书的过程中始终没有看到它被用过一次，那么这通常意味着这个语法不必学（至少在算法竞赛中不必用到）。事实上，笔者在编写本书的例程时首先考虑通俗易懂，避开复杂的语言特性，其次才是简洁和效率。
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