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深入浅出_指针

时间：2024-07-19 18:50:59浏览次数：13  
标签：int void 深入浅出 内存 printf include 指针

指针

指针基本介绍

变量在内存中的存储

如图中右侧图形表示计算机内存(memory)，图形中每一个长条表示一个字节(byte)，每一个字节存在对应的一个地址，如左侧0、201、202...209所标注

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对于典型的现代计算机，1个int类型变量由4个字节表示，1个char类型变量由1个字节表示，1个float类型变量由4个字节表示。对于如下代码：

int a;
char c;
a = 5;
a++;

在内存中，如内存模型所示：计算机分配地址为204-207共4个字节的存储变量a，分配地址为209的1个字节存储变量c，当给a赋值5时，将在地址204-207的内存处存储5（在计算机中数字以二进制保存），a自加1则会对地址204-207内存位置存储的5加1。

指针变量在内存中的储存

指针：指针是一个变量，存放着另外一个变量的地址

对于如下代码：

int a;
int *p; 
p = &a;
a = 5;
printf("%d\n", p); 	// 204
printf("%d\n", &a); // 204
printf("%d\n", &p); // 64
printf("%d\n", *p); // 5
*p = 8;
printf("%d\n", a); 	// 8

结合下图右侧内存模型。首先计算机分配内存地址204-207存储a，第二行定义变量p，变量p是一个 int*类型的变量，其内存地址为64-67（对于32位系统，使用4个字节表示一个内存地址），该变量存储了一个int类型变量的地址，随后&a表示获取了变量a的地址并赋值给变量p，即指针变量p中存储的值为变量a的首地址204。

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  • 当我们打印p的值时输出为204
  • 当打印a的地址&a时输出为204
  • 当打印p的地址&p时输出为64
  • 当打印变量p的解引用*p时（解引用表示，取出变量p内存储的地址204所存储的变量a）输出为5
  • 当对*p赋值为8后，即修改了变量a的值，此时打印a输出为8。

指针代码示例

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示例一：注意初始化

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int a; 	// 未初始化自动变量，存储为垃圾值
    int *p; // 未初始化话指针，直接使用可能会导致程序崩溃
    a = 10;
    p = &a;
    printf("%d\n", p); // 3077992
    printf("%d\n", *p); // 10
    printf("%d\n", &a); // 3077992
	
    return 0;
}

示例二：通过指针变量修改指向对象的值

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int a = 10; 
    int *p; 
    p = &a;
    printf("%d\n", a); // 10
    int b = 12;
    *p = b;
    printf("%d\n", a); // 12
	
    return 0;
}

示例三：指针越界

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int a = 10; 
    int *p; 
    p = &a;
    printf("%d\n", p); // p is 2002(变量a的首地址)
    printf("%d\n", *p); // 10
    printf("size of integer is %d bytes\n", sizeof(int)); // 4个字节
    printf("%d\n", p + 1); // p+1 is 2006(变量a后面下一个int类型变量的首地址)
    printf("%d\n", *(p + 1)); // -858993460, 指针越界
	
    return 0;
}

指针的类型

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如上图所示，对于一个整型变量a（见图片右侧中间部分），当赋值1025时，其对应的四个字节200-203存储的二进制数字分别为00000000 00000000 00000100 00000001，如图中标注（小端，字幕标注为LSB）。

最高位为符号位：

  • 0代表正数，1代表负数

指针是强类型：

  1. 假设p为int*类型，打印p，即200（变量a的首地址）。打印*p，机器认为int为4个字节，按序读取4个字节是数据，结果为1025。
  2. 假设p为char*类型，打印p，即200。打印*p，机器认为char为1个字节，按序读取1个字节是数据，结果为1。
int a = 1025;
int *p;
p = &a;
printf("sizeof of integer is %d bytes\n", sizeof(int)); // 4
printf("Address = %d, value = %d\n", p, *p); // 200, 1025
printf("Address = %d, value = %d\n", p + 1, *(p + 1)); // 204, -2454153

char *p0;
p0 = (char*)p; // 强制类型转换
printf("sizeof of char is %d bytes\n", sizeof(char)); // 1
printf("Address = %d, value = %d\n", p0, *p0); // 200, 1
printf("Address = %d, value = %d\n", p0 + 1, *(p0 + 1)); // 204 4
// 1025 = 00000000 00000000 00000100 00000001

  • (char*)是一种强制类型转换，表示把int*类型变量p强制转换为char*。

  • 当打印p时输出为变量a的地址200，当打印*p时输出为变量a的值1025，当打印p+1时输出为变量a下一个int类型变量地址204，当打印*(p+1)时输出为未初始化的随机int类型值比如为-2454153。当打印p0时输出变量a的首个字节的地址200，当打印*p0时输出地址200存储的数值0b00000001（0b表示二进制）即为1，当打印p0+1时输出地址200后一个char类型变量的地址201，当打印*(p0+1)时输出地址201存储的数值0b00000100即为4。

  • 关键：不同类型的指针在解引用时，所读取的字节数于指针所指向的数据类型相关。比如：如果为int*则读取该地址及后面共4个字节存储的数据，指针变量+1则地址数值+4；如果为char*则读取该地址1个字节存储的数据，指针变量+1则地址数值+1，可以通过sizeof关键字确定类型大小。

void指针

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int a = 1025;
    int *p;
    p = &a;
    printf("sizeof of integer is %d bytes\n", sizeof(int));
    printf("Address = %d, value = %d\n", p, *p);
    void *p0;
    p0 = p; // 合法
    //printf("Address = %d, value = %d\n", p0, *p0); // 编译出错，不能打印void*类型指针的值
    // printf("Address = %d, value = %d\n", p0 + 1, *(p0 + 1)); // 出错，void*类型的指针不能进行算术运算
    printf("Address = %d\n", p0); // 合法
    return 0;
}

如上代码所示，无需类型转换，可以将任意类型变量的地址赋值给void*类型指针，但是该类型指针只能打印地址，无法使用解引用*以及+1等运算操作。

指向指针的指针

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函数传值

#include <stdio.h>

void Increment(int a)
{
    a = a + 1;
    printf("Address of variable a in increment = %d\n", &a);
}

int main(void)
{
    int a;
    a = 10;
    Increment(a);
    printf("a = %d\n", a); // 10
    printf("Address of variable a in increment = %d\n", &a);
    
    return 0;
}

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实参：在主调函数中调用其他函数，这个参数称为实参

形参：被调函中的这个参数，被称为形参

传值调用：本质是把一个变量映射到另外一个变量，一个变量中的值拷贝到另一个函数

传引用

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#include <stdio.h>

void Increment(int *p)
{
    *p = (*p) + 1;
}

int main(void)
{
    int a;
    a = 10;
    Increment(a);
    printf("a = %d\n", a); // 11
    return 0;
}

传引用的好处：可以节省更多的内存空间，避免复杂数据类型的拷贝

应用程序内存

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  • Code(Text)：存储程序指令，计算机需要将指令加载到内存，例如程序中的自增语句
  • Static/Global：存储静态或全局变量
  • Stack：存储局部变量
  • Heap：动态内存

其中前3个段，即代码段、静态/全局变量段和栈段是固定的，在应用程序开始时确定，但是在应用程序运行时，可以要求在堆中分配更多的内存

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每个函数都有一个单独的栈帧

  • 执行到Increment函数，暂停主程序，执行Increment函数，为其单独开辟一块栈帧，传进来的a会被拷贝到新的内存中，不能访问自己栈帧之外的变量，执行完成后，清除Increment函数，并且返回主程序继续执行
  • 栈空间在程序开始时确定，假设一个函数无限次调用另一个函数，即无限递归，那么栈将会溢出，程序会崩溃

指针和数组

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数组名：指向数组首元素的指针常量（不可修改指向的地址），即数组的基地址

地址：&A[i] == (A +i)，二者等价

值：A[i] == *(A + i)，二者等价

#include <stdio.h>

int main()
{
    int A[] = {2, 4, 5, 8, 1};
    int i;
    // A++; // 非法，数组名为指针常量
    int *p = A; // 合法
    for(i = 0; i < 5; i++)
    {
        printf("Address = %d\n", &A[i]);
        printf("Address = %d\n", A + i);
        printf("value = %d\n", A[i]);
        printf("value = %d\n", *(A + i));
    }
}
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数组作为函数参数

#include <stdio.h>

int SumOFElements(int A[], int size)
{
    int i, sum = 0;
    for(i = 0; i < size; i++)
    {
        sum += A[i];
    }
    return sum;
}

int main(void)
{
    int A[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int size = sizeof(A) / sizeof(A[0]); // 获取数组元素个数
    int total = SumOFElements(A, size);
    printf("Sum of elements = %d\n", total);
}

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下面程序在函数内部计算数组大小，结果出错

#include <stdio.h>

int SumOFElements(int A[])
{
    int i, sum = 0;
    int size = sizeof(A) / sizeof(A[0]); 
    printf("SOE - Size of A = %d, size of A[0] = %d", sizeof(A), sizeof(a[0]);
    for(i = 0; i < size; i++)
    {
        sum += A[i];
    }
    return sum;
}

int main(void)
{
    int A[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int total = SumOFElements(A); // 此处传A等价于传&A[0]
    printf("Sum of elements = %d\n", total);
    printf("SOE - Size of A = %d, size of A[0] = %d", sizeof(A), sizeof(a[0]);
}

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理想状态下，函数栈帧中的A为一个数组，其中元素和主调函数中的元素相同，占据4个int类型的空间

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事实上，编译器看到数组作为参数，不会拷贝整个数组，实际仅仅创建一个同名指针（而不是创建整个数组），指向主调函数的数组首元素的地址，编译器隐式的将int A[]转换为了int *A，即被调函数中的A不是被解释成一个数组，而是解释成一个整型指针

数组名作为参数，仅仅拷贝变量的地址，而不是变量的值，即传引用，防止每次拷贝整个数组浪费大量的内存

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指针和字符数组

字符数组以空字符'\0'结束，所以需要预留结尾的空字符的位置

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main(void)
{
    // 方法一
    // char C[5] = {'J', 'O', 'H', 'N', '\0'}; 
    
    /* 方法二
    char C[5];
    C[0] = 'J';
    C[1] = 'O';
    C[2] = 'H';
    C[3] = 'N';
    C[4] = '\0';
    */
    
    // 方法三
    char C[] = "JOHN"; // 自动计算大小
    
    /* 非法，必须写在一行
    char C[20];
    C = "JOHN"; // 出现const char[] 到 char[]的类型转换，不允许const转为非const
    */
    
    int len = strlen(C); // 不会计算末尾的空字符
    printf("Length = %d\n", len);
}

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指针和字符数组的不同之处：

  • 字符数组名为指针常量，不允许指向别处

    C1 = C2； // 不允许

    C1++; // 不允许

指针常量和常量指针

const int *c; // 常量指针，只读
int *const c; // 指针常量，不可修改指针指向的地址

指针和二维数组

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int B[2][3];
// B返回一个指向一维数组（其中包含3个整型元素）的指针
int *p = B; // 错误，指针类型不匹配

  1. 打印 B 或 &B[0] // 400, 类型为int (*)[3]

  2. 打印 *B 或 B[0] 或 &B[0][0] // 400, 类型为int

  3. *打印 (B + 1) + 2 或 B[1] + 2 或 &B[1][2] // 412 + 8

    *(B + 1)的类型为int*，+2就是移动到下下个整型类型，跳过8个字节

  4. 打印 * (*B + 1) 或 B[0][1] // 3

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指针和多维数组

  • 多维数组本质上就是数组的数组
  • 多维数组可以理解为数组的合集

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int C[3][2][2];
int (*p)[2][2] = C;
打印 C  // 800, 类型为 int (*)[2][2]
打印 *C 或 C[0] 或 &C[0][0] // 800，类型为 int (*)[2]

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*(C[0][1] + 1) == C[0][1][1]; // 9, C[0][1]类型为int*
*(C[1] + 1) == C[1][1] == &C[1][1][0]; // 824，C[1]类型为int (*)[2]

#include <stdio.h>

int main()
{
    int C[3][2][2] = {{{2, 5}, {7, 9}}, 
                      {{3, 4}, {6, 1}},
                      {{0, 8}, {11, 13}}};
    printf("%d %d %d %d", C, *C, C[0], &C[0][0]);
    printf("%d", *(C[0][0] + 1));
}

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多维数组传参

#include <stdio.h>

// 错误的形参
// void Func(int **A) 对二维数组，传一个指针的指针
// void Func(int (*A)[2][2]) 对三位数组，传一个指针的指针的指针
void Func(int (*A)[2][2]) // 数组的第一维可以省略，其他维必须指定
{
    
}

int main()
{
    int C[3][2][2] = {{{2, 5}, {7, 9}}, 
                      {{3, 4}, {6, 1}},
                      {{0, 8}, {11, 13}}};
    int A[2] = {1, 2};
    int B[2][3] = {{2, 4, 6}, {5, 7, 8}};
    /*
    int X[3][2][3]; // 维度不匹配，报错
    Func(X);
    */
    Func(C);
}

指针和动态内存 - 栈 vs 堆

栈

执行square函数

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square函数执行完毕，占用的栈上的内存被清除（销毁），进而执行SquareOfSum函数

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重复上述步骤，直到栈空

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内存在栈上分配和销毁的规则：

  1. 当一个函数被调用，它被压入栈中
  2. 结束时，弹出堆栈

堆

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  • 动态内存，对比栈来说，内存大小不固定
  • 没有特定的规则来分配和销毁相应内存
  • 自由分配内存大小，注意不要超出系统内存范围
  • 此处的堆特指“空闲的内存池”（与数据结构中的堆进行区分）
  • 需要手动释放内存空间，否则会导致内存泄漏
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    int a; // goes on stack
    int *p;
    p = (int*)malloc(sizeof(int));
    *p = 10;
    free(p); // 释放malloc分配的内存，防止内存泄漏
    p = (int*)malloc(sizeof(int));
    *p = 20;
}

如果malloc找不到空闲的内存块，即不能在堆上成功分配内存，返回NULL

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    int a; // goes on stack
    int *p;
    p = new int; // new和delete操作符是类型安全的
    *p = 10;
    delete p;
    p = new int[20];
    delete[] p;
}

malloc, calloc, realloc, free

malloc

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作用：

  • 在堆中分配内存

函数原型：

void* malloc(size_t size) // size_t可以理解为unsigned int类型

函数用法：

int *p = (int*)malloc(3 * sizeof(int));

calloc

作用：

  • 在堆中分配内存

函数原型：

void* malloc(size_t num, size_t size) // 第一个参数用于指定类型的元素的数量，第二个参数用于指定类型的大小

函数用法：

int *p = (int*)malloc(3, sizeof(int));

malloc和calloc的区别：

  • 使用calloc函数，元素会自动初始化为0
  • 使用malloc函数，元素不会初始化，而是随机值

realloc

作用：

  • 在堆中分配内存

函数原型：

void* malloc(void* Ptr, size_t size) // 第一个参数用于指向已分配内存的起始地址，第二个参数用于指定新内存块的大小

函数用法：

int *p = (int*)malloc(3, sizeof(int));

例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    int n;
    printf("Enter size of array\n");
    scanf("%d", &n);
    int *A = (int*)malloc(n * sizeof(int));
    for(int i = 0; i < n; i++)
    {
        A[i] = i + 1;
    }
    int *B = (int*)realloc(A, 2*n*sizeof(int));
    printf("Prev block address = %d, new address = %d\n", A, B);
    for(int i = 0; i < 2 * n; i++)
    {
        printf("%d\n", B[i]);
    }
}

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动态分配 - 内存泄漏

// "Simple Betting game'
// "Jack Queen King" - computer shuffles these cards
// player has to guess the position of queen.
// if he wins, he takes 3*bet
// if he looses, he looses the bet amount .
// player has $100 initially
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int Cash = 100;
void Play(int bet)
{
    /* 方式一：
    char C[3] = {'J', 'Q', 'K'};
    */
    /* 方式二:
    char* C = (char*)malloc(3 * sizeof(char));
    C[0] = 'J'; C[1] = 'Q'; C[2] = 'K';
    */
    printf("Shuffling ...");
    srand(time(NULL));
    int i;
    for(i = 0; i < 5; i++)
    {
        int x = rand() % 3;
        int y = rand() % 3;
        int temp = C[x];
        C[x] = C[y];
        C[y] = temp;
    }
    int PlayerGuess;
    printf("What's the position queen 1, 2, 3");
    scanf("%d", &PlayerGuess);
    if(C[PlayerGuess - 1] == 'Q')
    {
        Cash += 3 * bet;
        printf("You Win ! Result = %c%c%c Total Cash = %d", C[0], C[1], C[2]);
    }
    else
    {
        Cash -= bet;
        printf("You Loose ! Result = %c%c%c Total Cash = %d", C[0], C[1], C[2]);
    }
    free(C); // 回收堆上的内存
}
int main() 
{
    int bet;
    while(cash > 0)
    {
        printf("What's your bet? $");
        scanf("%d", &bet);
        if(bet == 0 || bet > cash) break;
        Play(bet);
        printf("\n****************\n");
    }
}

方式一：函数中的局部变量在栈中分配内存，每次调用会自动回收内存，不会导致内存泄漏

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方式二：函数中的局部变量在堆中分配内存，如果不手动释放，每次调用函数都会导致程序占用内存空间增大，即内存泄漏

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总结：内存泄漏是因为堆中未使用和未引用的内存块，栈上的内存是自动回收的，栈的大小是固定的，最多发生栈溢出

函数返回指针

函数返回指针常用于：指向堆中分配的内存空间

// Pointers as function returns
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void PrintHelloWorld()
{
    printf("Hello World\n");
}
int* Add(int* a, int* b) // 被调函数
{
    int c = (*a) + (*b);
    return &c;
}
int main() // 主调函数
{
    int a = 2, b = 4;
    int* ptr = Add(&a, &b);
    PrintHelloWorld();
    printf("Sum = %d\n", *ptr);
}

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修改Add函数

int* Add(int* a, int* b) // 被调函数
{
    int* c = (int*)malloc(sizeof(int)); 
    *c = (*a) + (*b);
    return &c;
}

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函数指针

程序执行过程：将源代码作为编译器的输入，再由编译器编译出机器代码

内存：一般指程序运行的上下文

主存：随机存储器RAM

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在内存中，一个函数就是一块连续的内存（里面是指令），函数的地址，也称为函数的入口点，是函数的第一条指令的地址

#include <stdio.h>

int Add(int a, int b)
{
    return a + b;
}
int main()
{
    int c;
    int (*p)(int, int); // ()优先级高于*
    /* 方式一
    p = &Add;
    c = (*p)(2, 3);
    */
    // 方式二
    p = Add;
    c = p(2, 3);
    printf("%d", c); // 5
}

错误用法一：

void (*p)(int, int); // 类型不匹配

错误用法二：

int (*p)(int); // 参数个数不匹配

函数指针的使用案例（回调函数）

示例一：

//Function Pointers and callbacks
#include <stdio.h>
void A() 
{
    printf("He1lo");
}

void B(void (*ptr)()) // function pointer as argument
{
    ptr(); //call-back function that "ptr" points to
}

int main()
{
    void (*p)() = A;
	B(p);
}

示例二：

#include <stdio.h>
#include <math.h> // 包含abs函数

int compare(int a, int b)
{
    if(a > b) return 1;
    else return -1;
}

int absolute_compare(int a, int b)
{
    if(abs(a) > abs(b)) return 1;
    else return -1;
}

void BubbleSort(int *A, int n, int (*compare)(int, int))
{
    int i, j, temp;
    for(i = 0; i < n; i++)
        for(j = 0; j < n - 1; j++)
            if(compare(A[j], A[j + 1] > 0) 
                swap(A[j], A[j + 1]);
}

int main()
{
    int i, A[] = {3, 2, 1, 5, 6, 4};
    BubbleSort(A, 6, compare);
    for(i = 0; i < 6; i++) printf("%d ", A[i]);
}

示例三：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> // 包含qsort函数

int compare(const void* a, const void* b)
{
    // a是一个整型列表，首先需要将通用指针转换为整型指针，再通过*解引用得到a的值
    int A = *((int*)a);
    int B = *((int*)b);
    return A - B; // 升序排列
    // return B - A; 降序排列
}

int main()
{
    int i, A[] = {3, 2, 1, 5, 6, 4};
    qsort(A, 6, sizeof(int), compare);
    for(i = 0; i < 6; i++) printf("%d ", A[i]);
}

指针及其应用

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内存是可寻址的字节

  • 内存是一个字节数组
  • 每个字节都有一个唯一的地址（字节可寻址）
  • 寻址的最小数据对象是一个字节
  • 对于ARM Cortex-M微处理器，每个内存地址都有32位，可以寻址4GB

一个对象可能占用多个字节

  • 一个字占4个字节
  • 字分为小端存储和大端存储
    • 以小端格式存储一个字时，最高有效字节存储在高位地址，最低有效字节存储在低地址
    • 以大端格式存储一个字时，最高有效字节存储在低位地址，最低有效字节存储在高地址

指针

  • 指针的值是计算机中存储的某些变量的内存地址

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指针加加（假设按照小端序方式存储）

  • 加1，具体是内存地址增加多少，由指针的类型决定

image-20231006143948825

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硬编程指针

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volatile关键字

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  • 强制编译器每次读取新值，而不是从寄存器中读取，防止编译器在编译过程中进行错误的优化

STM32中的GPIO指针

在STM32 Cortex-M处理器的设备头文件中，外设的内存地址被强制转换为指向一个结构体

例如，GPIO端口A的存储器基地址为48000000（十六进制），使用宏指针将此地址转换为指针，该指针可以指向GPIO类型的结构体，即可通过结构体，软件可以轻松访问外设的所有寄存器

标签：int,void,深入浅出,内存,printf,include,指针
From： https://www.cnblogs.com/General-xd/p/18312149

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