C语言实验4：指针

目录

一、实验要求

二、实验原理

1. 指针的基本概念

1.1 指针的定义

1.2 取地址运算符（&）

1.3 间接引用运算符（*）

2. 指针的基本操作

2.1 指针的赋值

2.2 空指针

3. 指针和数组

3.1 数组和指针的关系

 3.2 指针和数组的结合

4. 指针和函数

4.1 指针作为函数参数

5. 动态内存分配

5.1 malloc 和 free 函数

三、实验内容

3.1

代码

截图

分析

3.2

代码

截图

分析

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一、实验要求

1. 掌握指针和间接访问的概念，会定义和使用指针变量。
2. 能正确使用数组的指针和指向数组的指针变量。
3. 能正确使用字符串的指针和指向字符串的指针变量。

二、实验原理

指针是C语言中非常重要且强大的概念之一。它提供了直接访问内存地址的能力，使得程序可以更加灵活地处理数据。

1. 指针的基本概念

1.1 指针的定义

 指针是一个变量，其值是另一个变量的地址。通过指针，可以直接访问存储在该地址上的数据。

int *ptr;  // 定义一个指向整数的指针

1.2 取地址运算符（&）

用于获取变量的地址。

int num = 10;
int *ptr = #  // ptr指向num的地址

例如

#include<iostream>
using namespace std;
int main() {int a=10,*ptr;ptr = &a;cout << a <<" "<<ptr;return 0;
}

它的结果是

表面a的地址为000000ECA8AFF794，共16*4=64位二进制

那么下面的代码为什么地址不相邻呢？

#include<iostream>
using namespace std;
int main() {int a=10,b=11,*ptr,*ptr1;ptr = &a;ptr1 = &b;cout << a <<" "<<ptr<<endl;cout << b << " " << ptr1;return 0;
}

在C语言中，连续定义的两个变量的地址是否相邻，与多个因素有关，其中包括编译器、优化选项、操作系统的内存分配策略等。

1. 对齐（Alignment）： 许多体系结构要求数据按照某种规定的边界对齐，以提高访问速度。因此，编译器可能会在变量之间插入填充字节，以确保数据按照正确的边界对齐。这导致即使两个变量类型相同，它们的地址也可能不相邻。

2. 优化： 编译器可能会对代码进行优化，包括对变量的存储和访问进行优化。这可能导致变量的地址不是按照它们在代码中的声明顺序来分配的。

3. 内存分配策略： 操作系统对于内存的分配策略也可能影响变量的地址分布。例如，在某些情况下，操作系统可能会使用随机化技术来增加系统的安全性，这会导致变量的地址不再是连续的。

4. 数据类型： 如果定义的变量类型不同，它们的大小可能也不同，这会影响它们在内存中的布局。

1.3 间接引用运算符（*）

用于访问指针所指向地址上的值。 

int value = *ptr;  // value等于num的值，通过ptr间接引用

例如

#include<iostream>
using namespace std;
int main() {int a=10,*ptr,value;ptr = &a;value = *ptr;cout << a <<" "<<ptr<<"  " <<value<< endl;return 0;
}

结果为

即指针ptr为地址，*ptr代表一个数，&a代表a的地址，&a和ptr可以交换值，属于同一类型

*ptr代表数，a代表数，两者可以交换值，属于同一类型

2. 指针的基本操作

2.1 指针的赋值

可以将一个指针指向另一个变量的地址。

int num1 = 10;
int num2 = 20;
int *ptr = &num1;  // ptr指向num1的地址
ptr = &num2;      // ptr现在指向num2的地址

例如

#include<iostream>
using namespace std;
int main() {int num1 = 10, num2 = 20;int* ptr = &num1;cout << *ptr <<" "<<ptr<< endl;ptr = &num2;cout << *ptr << " " << ptr;return 0;
}

结果为

2.2 空指针

指向地址为0的指针被称为空指针。

int *ptr = NULL;  // ptr是一个空指针

可以猜测一下下述代码的输出结果是什么

#include<iostream>
using namespace std;
int main() {int* ptr = NULL;cout << *ptr <<" "<<ptr<< endl;return 0;
}

答案是！

那空指针有什么作用呢？

1.标记未初始化的指针： 在定义指针变量但尚未为其分配有效内存地址之前，可以将指针初始化为NULL，表示它当前不指向任何有效的内存区域。

2.避免野指针： 将指针初始化为NULL可以避免使用未初始化的指针（野指针），从而减少程序中出现的错误。

3.指针作为空指针常量： 用NULL表示空指针常量，提高代码的可读性。在函数参数或返回值中，空指针常常用于表示某个指针不指向有效的内存。

void process_data(int *data) {if (data != NULL) {// 处理有效的数据} else {// 处理空指针情况}
}

4.动态内存分配失败的标志： 在动态内存分配时，如果分配失败，malloc或calloc通常会返回NULL，这可用于检测内存分配是否成功。

int *dynamicPtr = (int*)malloc(sizeof(int));
if (dynamicPtr == NULL) {// 内存分配失败// 处理错误的代码
}

5.函数返回空指针： 有时，函数可能返回一个空指针作为错误或特殊情况的标志。

int *find_element(int key) {// 查找元素...if (element_not_found) {return NULL;}// 找到元素，返回指向元素的指针
}

3. 指针和数组

3.1 数组和指针的关系

数组名本身就是一个指针，指向数组的第一个元素的地址。

int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int *ptr = arr;  // ptr指向arr的第一个元素

记住是arr为地址，不是&arr! 

 3.2 指针和数组的结合

通过指针可以遍历数组的元素。

for (int i = 0; i < 5; ++i) {printf("%d ", *(ptr + i));  // 打印数组元素的值
}

例如

#include<iostream>
using namespace std;
int main() {int* ptr;int a[5] = { 1,2,3,4,5 };ptr = a;for (int i = 0; i < 5; i++) {cout << "第" << i << "个元素为" << *(a + i) << "其地址为"<<a+i<<endl;}return 0;
}

结果为 

4. 指针和函数

4.1 指针作为函数参数

可以通过指针在函数间传递数据。

void modifyValue(int *ptr) {*ptr = 100;
}int main() {int num = 10;modifyValue(&num);// 现在num的值变成了100return 0;
}

但是如果不用指针呢？

#include<iostream>
using namespace std;
void modifyValue(int ptr) {ptr = 100;
}
int main() {int num = 10;modifyValue(num);cout << num;return 0;
}

结果是10，所以指针的作用就体现出来了

在这段代码中，问题出现在modifyValue函数的参数类型和传递方式上。在C中，函数参数可以通过值传递或引用传递。在这里，modifyValue函数使用的是值传递，这意味着函数接收到的是实参的一个副本而不是实参本身。

当你调用modifyValue(num)时，将num的值（10）传递给modifyValue函数的形参ptr。在函数内部，ptr被修改为100，但这仅仅是对形参的修改，不会影响实参 num 的值。

所以，当你在main函数中输出num的值时，输出的是原始的值，即10，而不是在modifyValue函数内修改后的值100。

4.2 指针作为函数返回值

函数可以返回指针，使得函数能够返回动态分配的内存。

int* createArray(int size) {int *arr = (int*)malloc(size * sizeof(int));// 初始化数组...return arr;
}

例如

#include<iostream>
using namespace std;
int* createArray(int size) {int* arr = (int*)malloc(size * sizeof(int));return arr;
}int main() {int* ptr;ptr = createArray(5);cout << ptr<<" "<<* ptr;return 0;
}

 结果为

为什么*ptr即数组的第一个值那么奇怪呢？

是因为数组只是分配了空间，并没有赋值

5. 动态内存分配

5.1 malloc 和 free 函数

用于动态分配和释放内存。

int *ptr = (int*)malloc(sizeof(int));  // 分配一个整数大小的内存
// 使用ptr...
free(ptr);  // 释放内存

sizeof 是一个在 C 和 C++ 等编程语言中常用的操作符，用于获取数据类型或变量在内存中所占用的字节数。sizeof 的语法如下

sizeof(type)
sizeof(expression)

其中，type 是数据类型，而 expression 则是一个表达式或变量。sizeof 返回一个 size_t 类型的值，表示参数所占用的字节数。常用于分配内存。

malloc 是 C 语言中的一个函数，用于动态分配内存。它的名字来源于 "memory allocation"（内存分配）。malloc 函数接受一个参数 size，表示要分配的内存字节数。它返回一个 void 指针，指向分配的内存的起始地址。可以将其转换为适当的类型，以便进行正确的使用。

上述转化为int型指针

free 函数用于释放通过动态内存分配函数（如 malloc、calloc、realloc 等）分配的内存空间。free 函数接受一个指针 ptr，该指针应该是通过动态内存分配函数分配的内存的起始地址。调用 free 函数会将相应的内存空间标记为可用，以便后续的内存分配操作可以使用该空间。

三、实验内容

3.1

将n个数按输入时的顺序逆序排列，用函数实现。

代码

#include<iostream>
using namespace std;
void sort(int* p, int* q, int n) {for (int i = 0; i < n; i++) {*(q + i) = *(p + n - 1 - i);//将q指针所代表的数组的第n-i个元素赋值给p指针所代表的数组的第i+1个元素}
}
int main() {int a[100],b[100],n,*ptr1,*ptr2;ptr1 = a;ptr2 = b;cout << "请输入所需要输入的元素数目：";cin >> n;for (int i = 0; i < n; i++) {cin >> *(ptr1 + i);}sort(ptr1, ptr2, n);for (int i = 0; i < n; i++) {cout << *(ptr2 + i)<<" ";}return 0;
}

截图

分析

1. void sort(int* p, int* q, int n)：这是一个排序函数，接受两个指向整数数组的指针 p 和 q，以及数组的大小 n。该函数通过将数组 p 中的元素逆序复制到数组 q 中来实现排序。

2. int main()：主函数包含以下步骤：

   • 定义两个数组 a 和 b，以及两个指向整数的指针 ptr1 和 ptr2。
   • 用户输入所需输入的元素数目 n。
   • 通过指针 ptr1 输入数组 a 的元素。
   • 调用 sort 函数，将数组 a 中的元素逆序复制到数组 b 中。
   • 输出数组 b 中的元素，即排序后的结果。

3. 在 sort 函数中，通过循环遍历数组，将数组 p 中的元素逆序复制到数组 q 中。这通过使用指针算术实现，*(q + i) = *(p + n - 1 - i) 将数组 p 中的第 n-i 个元素赋值给数组 q 中的第 i+1 个元素。

3.2

将一个5×5的矩阵（二维数组）中最大的元素放在中心，4个角分别放4个最小的元素（顺序为从左到右，从上到下依次从小到大存放），写一函数实现。用main函数调用。 

代码

#include<iostream>
using namespace std;
int min_max = -9999, index = 0, b[4] = { 0,4,20,24 };//b数组为快速索引,index为min数组中最大元素的序列号int find_min_max(int* ptr) {//找出四个元素中的最大值min_max = -9999;for (int i = 0; i < 4; i++) {if (*(ptr + i) >= min_max) {min_max = *(ptr + i);index = i;}}return min_max;
}
int compare(const void* a, const void* b) {// 比较函数，用于指定排序规则// 返回负数表示 a < b// 返回零表示 a == b// 返回正数表示 a > breturn (*(int*)a - *(int*)b);
}void change(int *ptr) {//找到最大元素和最小的四个元素int max = -9999;int min[4] = { 9999,9999,9999,9999 };int* ptr2=min;//找最大元素和最小的四个元素for (int i = 0; i < 25; i++) {if (*(ptr + i) > max) {max = *(ptr + i);}min_max = find_min_max(ptr2);if (*(ptr + i) < min_max) {//满足进入四个最小元素的数组*(ptr2 + index) = *(ptr + i);//替换位置}}//对四个最小元素的位置进行排序qsort(ptr2, 4, sizeof(int), compare);//更换位置for (int i = 0; i < 25; i++) {if (*(ptr + i) == max) {//如果是最大元素int temp = *(ptr + 12);*(ptr + 12) = max;*(ptr + i) = temp;continue;}}for (int i = 0; i < 25; i++) {for (int j = 0; j < 4; j++) {//如果是较小元素if (*(ptr + i) == min[j]) {int temp = *(ptr + b[j]);cout << "temp  " << temp << endl;*(ptr + b[j]) = min[j];*(ptr + i) = temp;continue;}			}}	
}
int main() {int a[5][5],* ptr1;ptr1 = a[0];for (int i = 0; i < 5; i++) {for (int j = 0; j < 5; j++) {cin >> a[i][j];}}change(ptr1);for (int i = 0; i < 5; i++) {for (int j = 0; j < 5; j++) {cout<< a[i][j]<<" ";}cout << endl;}return 0;
}

截图

分析

1. 变量定义和初始化：

   • int min_max = -9999, index = 0, b[4] = { 0,4,20,24 };：定义了全局变量，其中 min_max 用于存储四个元素中的最大值，index 用于存储 min 数组中最大元素的序列号，b 数组是用于快速索引的数组。

2. find_min_max 函数：

   • 该函数用于找出四个元素中的最大值，并返回这个最大值。它还会更新 index 变量，以表示最大值在 min 数组中的位置。

3. compare 函数：

   • 这是一个比较函数，用于在后续的 qsort 函数中进行数组排序。

4. change 函数：

   • 该函数对数组进行操作，找到数组中的最大元素和最小的四个元素，然后将它们的位置进行调整。
   • 具体操作：
     • 找到数组中的最大元素 max。
     • 找到数组中最小的四个元素，用 min 数组保存，并通过调用 find_min_max 函数找到最小元素中的最大值及其位置。
     • 使用 qsort 对 min 数组进行排序。
     • 将最大元素和最小元素的位置进行交换。
     • 输出结果。

5. main 函数：

   • 定义了一个5x5的数组 a 和一个指向该数组的指针 ptr1。
   • 通过用户输入给数组 a 赋值。
   • 调用 change 函数对数组进行操作。
   • 输出最终的数组。

指针是C语言中非常强大和灵活的特性，但也需要小心使用，因为错误的指针操作可能导致程序崩溃或产生不可预测的结果。

指针需慎用！