指针之深度解剖1

我们知道计算机上CPU（中央处理器）是通过内存存取数据的，计算机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。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8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门牌号，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。生活中我们把门牌号也叫地址，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

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.指针变量和指针

这里我们需要引入两个操作符的用法：

一个是&（取地址）操作符

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。&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。

另一个是解引用操作符（*）

那我们通过取地址操作符(&)拿到的地址是⼀个数值，比如：0x000000EF038FFCA4，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。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。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;
}

*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，有同学肯定在想，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。

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，那么指针变量的大小就得是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。

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？

调试对比以下两个代码：

#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。

调试观察下面代码：

#include <stdio.h>
int main()
{
 int n = 10;
 char *pc = (char*)&n;
 int *pi = &n;
 
 printf("%p\n", &n);
 printf("%p\n", pc);
 printf("%p\n", pc+1);
 printf("%p\n", pi);
 printf("%p\n", pi+1);
 return 0;
}

代码运行结果：

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。

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）。

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。

举个例子：

#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。

可以使用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 void* 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，该内容我会在接下来的指针博客中深入讲解。

4.const修饰指针

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>
//代码1 
void test1()
{
 int n = 10;
 int m = 20;
 int *p = &n;
 *p = 20;//ok?
 p = &m;//ok?
}
void test2()
{
 //代码2 
 int n = 10;
 int m = 20;
 const int* p = &n;
 *p = 20;//ok?
 p = &m; //ok?
}
void test3()
{
 int n = 10;
 int m = 20;
 int *const p = &n;
 *p = 20; //ok?
 p = &m; //ok?
}
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：

1.指针+-整数

#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;
}

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;
}

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 i = 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;
}

以上代码可以自己运行看看结果。

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）

造成野指针的原因：

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;
}

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;
}

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;
}

如何规避野指针？

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。

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。

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

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。

二、指针的使用和传址调用

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。

函数原型如下：

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。

参考代码如下：

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;
}

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：

#include <stdio.h>
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;
}

运行结果：

我们发现并没有产生交换的结果，这是为什么呢？

调试一下看看：

我们发现在main函数内部，创建了a和b，a的地址是ox0053fdb4，b的地址是0x0053fda8，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0x0053fdc8，y的地址是0x0053fdcc，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Swap是失败的了。

那怎么办呢？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。

#include <stdio.h>
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;
}

代码运行结果：

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

总结

这篇文章是我更新指针系列的第一篇，接下来我会更深入的和大家探讨指针的相关用法，感兴趣的可以加个关注支持一下，也欢迎大家在评论区留言提出你的疑问或者看法。

标签：变量,int,地址,深度,字节,main,解剖,指针
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前言

一、初步理解指针

1.内存和地址