目录:
1. 内存和地址
2. 指针变量和地址
3. 指针变量类型的意义
4. const修饰指针
5. 指针运算
6. 野指针
7. assert断⾔
8. 指针的使⽤和传址调用
1. 内存和地址
1.1 内存
在讲内存和地址之前,我们想有个⽣活中的案例: 假设有⼀栋宿舍楼,把你放在楼⾥,楼上有100个房间,但是房间没有编号,你的⼀个朋友来找你玩, 如果想找到你,就得挨个房⼦去找,这样效率很低,但是我们如果根据楼层和楼层的房间的情况,给 每个房间编上号,如:
⼀楼:101,102,103...
⼆楼:201,202,203...
...
有了房间号,如果你的朋友得到房间号,就可以快速的找房间,找到你。
如果把上面的例⼦对照到计算机中,又是怎么样呢? 我们知道计算机上CPU(中央处理器)在处理数据的时候,需要的数据是在内存中读取的,处理后的 数据也会放回内存中,那我们买电脑的时候,电脑上内存是8GB/16GB/32GB等,那这些内存空间如 何⾼效的管理呢?
其实也是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。
计算机中常见的单位(补充):
⼀个比特位可以存储⼀个2进制的位1或者0
bit - ⽐特位 1Byte = 8bit
Byte - 字节 1KB = 1024Byte
KB 1MB = 1024KB
MB 1GB = 1024MB
GB 1TB = 1024GB
TB 1PB = 1024TB
PB
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 的⼋⼈间,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。
⽣活中我们把⻔牌号也叫地址,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。
1.2 究竟该如何理解编址
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(就如同宿舍很 多,需要给宿舍编号⼀样)。 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。 钢琴、吉他 上⾯没有写上“剁、来、咪、发、 唆、拉、西”这样的信息,但演奏者照样能够准 确找到每⼀个琴弦的每⼀个位置,这是为何?因 为制造商已经在乐器硬件层⾯上设计好了,并且 所有的演奏者都知道。本质是⼀种约定出来的共识!
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。硬件编址也是如此 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(&)
理解了内存和地址的关系,我们再回到C语⾔,在C语⾔中创建变量其实就是向内存申请空间,⽐如:
比如,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,上图中4个字节的地址分别是:
那我们如何能得到a的地址呢?这⾥就得学习⼀个操作符(&)-取地址操作符
变量在内存中的存储
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。
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哪⾥呢?答案是:指针变量中。 比如:
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。
2.2.2 如何拆解指针类型
int a = 10;
int * pa = &a;
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。
那如果有⼀个char类型的变量ch,ch的地址,要放在什么类型的指针变量中呢?
char ch = 'w';
pc = &ch;
//pc 的类型怎么写呢?
2.2.3 解引⽤操作符
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(*)。
上⾯代码中第7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.
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, 后期慢慢就能理解了。
2.3 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。
X64环境输出结果
X86环境输出结果
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?
其实指针类型是有特殊意义的,我们接下来继续学习。
3.1 指针的解引用
对比,下⾯2段代码,主要在调试时观察内存的变化。
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。
3.2 指针+-整数
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, void* 类型的指针不能直接进行指针的+-整数和解引用的运算。
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。
VS2022编译的结果
使⽤void*类型的指针接收地址:
VS编译代码的结果:
VS2022编译的结果
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,在《深⼊理解指针(4)》中我们会讲解。
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