深入理解指针Part1——C语言

”指针是C语言的精髓！“

——出自学校教《C语言程序设计》的老师

1 内存和地址

1.1 内存

为了理解指针，首先要从内存和地址讲起。

在计算机中内存很重要，程序经常需要从内存中读取和写入数据。在购买电脑的时候，内存的大小常有8/16/32GB等，这些空间又是如何被管理的？

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是1字节(byte)。

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

1.2 如何理解编址

CPU与内存之间有大量的数据交互，这些交互通过地址总线、数据总线、控制总线等，我们这里关注的是地址总线。这里可以简单理解，32位机器上有32根地址总线，每根线有0、1两种状态，能表示2^32种含义，每一种含义都代表了1个地址。CPU通过地址总线获取到了内存地址后，就可以通过其他总线对内存进行操作。

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，回到C语言中，创建变量其实就是向内存申请空间。例如int a = 10，就是创建了整形变量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。

那我们如何得到a的地址呢？这就需要用到取地址操作符(&)。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
//打印整形变量a的地址
//环境为x64
int main()
{
	int a = 10;
	printf("a的地址是：%pn", &a);
	return 0;
}

如图，&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个字节的数据是完全可行的。

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：0000009E504FFC84，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？答案就是：指针变量中。

比如：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
//环境为x64
int main()
{
	int a = 10;
	int* pa = &a;//取出a的地址并存储到指针变量pa中
	printf("a的地址是：%pn", pa);
	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。

2.2.2 拆解指针类型

我们看到指针变量pa的类型是int* ，该如何理解指针的类型呢？

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？自然是放在char*类型的指针变量中。

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(*)。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
//环境为x64
int main()
{
	int a = 10;
	int* pa = &a;
	printf("修改前：a = %dn", a);
	*pa = 5;
	printf("修改后：a = %dn", a);
	return 0;
}

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。

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，后期慢慢就能理解了。

2.3 指针变量的大小

1.2中提到：

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。

通过原理可以得知，指针变量的大小与其类型无关，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

既然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。接下来我们一起探讨。

3.1 指针的解引用

下面，我们来对比两段代码：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
//代码1
int main()
{
	int n = 0x11223344;
	int* pi = &n;
	*pi = 0;
	return 0;
}

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
//代码2
int main()
{
	int n = 0x11223344;
	char* pc = &n;
    //char* pc = (char*)&n;（可写成这种显式类型转换）
	*pc = 0;
	return 0;
}

浅看一下，两段代码都希望将整形变量n的值改为0，代码1是正常的写法肯定没问题，但是代码2很怪，用了一个char*类型的指针变量pc来存储整形变量n的地址，这会导致什么，打开调试在内存中看一看。

我们先看看代码1：

创建整形变量n，内存中申请了4个字节的空间，存储16进制数0x11223344，然后*pc = 0将n的4个字节全部改为0，任务完成。

接下来看代码2：

我们发现，代码2只是将n的第一个字节改为0，其他3个字节的值原封不动的保留了下来。

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

先看一段代码，调试观察地址的变化。

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

代码运行的结果如下：

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，其实就是跳过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*，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。

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，在后面会经常遇到。

4 指针运算

指针的基本运算有三种，分别是：

• 指针+-整数
• 指针-指针
• 指针的关系运算

4.1 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。

下面我们用指针来读取一个数组：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
//指针+-整数
int main()
{
	int arr[] = { 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 ", *(p + i));//p+i 这里就是指针+整数
	}
	return 0;
}

4.2 指针-指针

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
//指针-指针
int my_strlen(char* s)
{
	char* p = s;
	while (*p != '')
		p++;
	return p - s;
}

int main()
{
	printf("%dn", my_strlen("abc"));
	return 0;
}

4.3 指针的关系运算

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
//指针的关系运算
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)//指针的大小比较
	{
		printf("%d ", *p);
		p++;
	}
	return 0;
}

正文完