C语言指针

标签：arr int C语言地址 printf main 指针

1、内存和地址

1.1内存

内存：内存划分为一个个内存单元，每个内存单元的大小是一个字节，是8个比特位。

变量创建的本质是在内存中申请空间，每个字节都有自己的编号（地址），编译器是通过地址来寻找内存单元的。

内存单元的编号==地址==指针

1.2理解编址

CPU访问内存中的某个字节空间，必须知道这个字节空间在内存的什么位置，⽽因为内存中字节很多，所以需要给内存进⾏编址。

计算机中的编址，并不是把每个字节的地址记录下来，⽽是通过硬件设计完成的。

⾸先，必须理解，计算机内是有很多的硬件单元，⽽硬件单元是要互相协同⼯作的。所谓的协同，⾄少相互之间要能够进⾏数据传递。但是硬件与硬件之间是互相独⽴的，那么如何通信呢？答案很简单，⽤"线"连起来。⽽CPU和内存之间也是有⼤量的数据交互的，所以，两者必须也⽤线连起来。不过，我们今天关⼼⼀组线，叫做地址总线。

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、指针变量和地址

2.1取地址操作符（&）

在C语言中创建变量其实就是向内存申请空间。

在C语言中有一个取地址操作符&，具体的代码如下：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 10;
	&a;
	printf("%p\n",&a);
	return 0;
}

执行结果如下图：

2.2指针变量和解引用操作符

2.2.1指针变量

那我们通过取地址操作符(&)拿到的地址是⼀个数值，⽐如：0x006FFD70，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的地址并把它放在指针变量pa中。
	return 0;
}

2.2.2拆解指针类型

int a = 20;
int*pa = &20;

这里的int指的是pa所指向数据的类型为整型变量，*号表示pa是指针变量。

2.2.3解引用操作符

C语⾔中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 = 10;
	int* pa = &a;
	*pa = 3;
	printf("%d\n",a);
	return 0;
}

上⾯代码中第6⾏就使⽤了解引⽤操作符， *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。

2.3指针变量的大小

#include <stdio.h>

int main()
{
	//指针变量的大小取决于地址的大小
	//32位平台下地址是32个比特位
	//64位平台下地址是64个比特位
	printf("%zd\n",sizeof(char*));
	printf("%zd\n",sizeof(short*));
	printf("%zd\n",sizeof(int*));
	printf("%zd\n",sizeof(double*));
}

3、指针变量的类型和意义

3.1指针的解引用

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。

3.2指针+-整数

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 20;
	int* pa = &a;
	char* pb = (char*)&a;
	printf("%p\n",&a);
	printf("%p\n",pa);
	printf("%p\n",pa+1);
	printf("%p\n",pb);
	printf("%p\n",pb+1);
	return 0;
}

运行结果如下：

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。指针+1，其实跳过1个指针指向的元素。指针可以+1，那也可以-1。

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）。

3.3 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，⾏指针的+-整数和解引⽤的运算。

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。

⼀般 v oid* 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。

4、const修饰指针

#include <stdio.h>
int main()
{
	int n = 20;//n是可以被修改的
	const int m = 10;//m是无法被修改的
	n += 1;
	printf("%d %d",n,m);
	return 0;
}

上述代码中n是不能被修改的，其实n本质是变量，只不过被const修饰后，在语法上加了限制，只要我们在代码中对n就⾏修改，就不符合语法规则，就报错，致使没法直接修改n。

但是我们绕过m直接访问m的地址就可以修改m了。代码如下：

#inlcude <stdio.h>
int main()
{
	int n = 20;//n是可以被修改的
	const int m = 10;//m是无法被修改的
	int* pa = &m;
	*pa = 15;
	n += 1;
	printf("%d %d",n,m);
	return 0;
}

输出结果：

4.2 const修饰指针变量

const修饰指针变量，可以放在*的左边，也可以放在*的右边，意义是不⼀样的。

	int* p;//没有const修饰
	int const* p;//const放在*左边修饰
	int* const p;//const放在*右边修饰

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

指针的运算有三种：

• 指针+-整数

• 指针-指针

• 指针的关系运算

5.1指针+-整数

因为数组在内存中是连续存放的，只要知道第⼀个元素的地址，顺藤摸⽠就能找到后⾯的所有元素。

1    int arr[10]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};

具体代码如下所示：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
	int* p = &arr[0];
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	for (int i=0;i<sz;i++)
	{
		printf("%d\n",*(p+i));//（p+i)就是指针+-整数的运算
	}
	return 0;
}

首先得到arr数组第一个元素的地址，再通过元素个数，对指针进行+-整数，实现对数组元素的打印。

5.2指针-指针

指针-指针的绝对值是指针和指针之间的元素个数。

指针-指针，计算的条件是两个指针指向相同的一个内存空间。

#include <stdio.h>
my_strlen(char*p)
{
	char* start = p;
	char* end = p;
	while (*end != '\0')
	{
		end++;
	}
	return end - start;
}

int main()
{
	char arr[] = "I am QSY";
	size_t len = my_strlen(arr);//数组名其实是数组首元素的地址 arr==arr[0]
	printf("%zd\n",len);
	return 0;
}

注：strlen是统计‘\0’之前的元素个数，‘\0’的ASCALL码值就是0，（*end !='\0'）可以写成（*end）。

5.3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 sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	while (p < &arr[sz])
	{
		printf("%d ",*p);
		p++;
	}
	return 0;
}

指针的值都是可以比较大小的。

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）

6.1野指针形成原因

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 = 10;
	return &n;
}

int main()
{
	int* p = test();
	printf("%d\n",*p);
	return 0;
}

注:野指针会造成内存的非法访问，可能会篡改内存。

6.2 如何规避野指针

6.2.1 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。

#ifdef __cplusplus
    #define NULL 0
#else
    #define NULL((void *)0)
#endif

初始化代码如下：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int num = 10;
	int* p1 = &num;
	int* p2 = NULL;

	return 0;
}

6.2.2 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。

6.2.3 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。

int main()
{
	int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
	int* p = &arr[0];
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 11; i++)
	{
		*(p++) = i;
	}
	//此时p已经越界，可以把p置换为NULL
	p = NULL;
	//下次使用的时候先判断p不等与NULL再使用
	p = &arr[0];//重新让p获得地址
	if (p != NULL)//判断
	{
		//...
	}
	return 0;
}

6.2.4 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。

7、assert断言

assert.h 头⽂件定义了宏 assert() ，⽤于在运⾏时确保程序符合指定条件，如果不符合，就报错终⽌运⾏。这个宏常常被称为“断⾔”。

1    assert(p != NULL)

上⾯代码在程序运⾏到这⼀⾏语句时，验证变量 p 是否等于 NULL 。如果确实不等于NULL ，程序继续运⾏，否则就会终⽌运⾏，并且给出报错信息提示。

assert() 宏接受⼀个表达式作为参数。如果该表达式为真（返回值⾮零），assert()不会产生任何作⽤，程序继续运⾏。如果该表达式为假（返回值为零）， assert() 就会报错，在标准错误流stderr 中写⼊⼀条错误信息，显⽰没有通过的表达式，以及包含这个表达式的⽂件名和⾏号。

assert() 的使⽤对程序员是⾮常友好的，使⽤ assert() 有⼏个好处：它不仅能⾃动标识⽂件和出问题的⾏号，还有⼀种⽆需更改代码就能开启或关闭 assert() 的机制。如果已经确认程序没有问题，不需要再做断⾔，就在 #include <stdio.h>语句的前⾯，定义⼀个宏NDEBUG。

1    #define NDEBUG
2    include <assert.h>

然后，重新编译程序，编译器就会禁⽤⽂件中所有的assert() 语句。如果程序⼜出现问题，可以移除这条 #define NDEBUG 指令（或者把它注释掉），再次编译，这样就重新启⽤了 assert() 语句。

assert() 的缺点是，因为引⼊了额外的检查，增加了程序的运⾏时间。

⼀般我们可以在 Debug 中使⽤，在Release 版本中选择禁⽤ assert 就⾏，在VS这样的集成开发环境中，在Release 版本中，直接就是优化掉了。这样在debug版本写有利于程序员排查问题，在Release 版本不影响⽤⼾使⽤时程序的效率。

8、指针的使用和传址调用

8.1 strlen的模拟实现

库函数strlen的功能是求字符串长度，统计的是字符串中\0之前的字符的个数。

函数原型如下：

1    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，最终返回长度。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，只要不是到 \0 字符，计数器就+1，这样直到\0就停⽌。

参考代码如下：

#inlcude <stdio.h>
#include <assert.h>
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;
}

8.2 传值调用和传址调用

写一个函数交换两个整型变量的值。

代码如下：

#include <stdio.h>
int Swap1(int x, int y)
{
	int z = 0;
	z = x;
	x = y;
	y = z;
}

int main()
{
	int a = 0;
	int b = 0;
	scanf("%d %d",&a,&b);
	printf("传值前的代码：%d %d\n",a,b);
	Swap1(a, b);
	printf("传值后的代码：%d %d\n",a,b);

	return 0;
}

运行结果如下所示：

由上可知，运行的结果两个数字并没有做出了交换。

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。

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。