从零开始的指针探索之旅1（C语言）

1、内存和地址在正式进入指针之前我们有必要先简单了解一下内存和地址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1 2 3 ⼀楼 101 102 103...⼆楼 201 202 203...这样有了房间号如果你的朋友得到了房间号就可以通过房间号快速找到你。我们可以把上面的例子对照到计算机中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。 计算机中常⻅的单位补充一个比特bit位可以储存一个2进制的位1或者01 bit - 比特位 1Byte 8bit2 byte - 字节 1KB 1024Byte3 KB 1MB 1024KB4 MB 1GB 1024MB5 GB 1TB 1024GB6 TB 1PB 1024TB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 于宿舍房间的⻔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也称为地址。C语言给地址取了新名字叫指针。所以我们可以理解为内存单元的编号地址指针。1.2接下来我们理解一下编址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。我们在vs中看见的x86就是32位x64就是64位。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语言创建变量的过程中就是在向内存申请空间比如上图是在x86环境下运行时创建变量a时向内存申请空间。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0x0061FCFC0x0061FCFD0x0061FCFE0x0061FCFF那我们如何能得到a的地址呢每一次代码重新运行都会重新分配内存这⾥就得学习⼀个操作符()-取地址操作符虽然整型变量占⽤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0x0133F790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 如何拆解指针类型我们看到pa的类型是 1 2 int* 我们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。同理假如有一个char类型的变量ch,ch的地址存放在char* pch中:pchch;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11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*pa0这个操作符是把a改成了0. 有人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。以上是分别在64位和32位时指针变量的大小由此我们可以得到以下结论• 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3.1 指针的解引⽤观察下⾯2段代码主要在调试时观察内存的变化。代码1代码2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-整数先看⼀段代码调试观察地址的变化。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。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。使⽤void*类型的指针接收地址这⾥我们可以看到 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 v oid* 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后面我们会讲解。本次我们完成了对指针的初步认识此文作为个人学习记录。