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C语言——从头开始——深入理解指针(1)

 一.内存和地址

我们知道计算上CPU(中央处理器)在处理数据的时候,是通过地址总线把需要的数据从内存中读取的,后通过数据总线把处理后的数据放回内存中。如下图所示:

计算机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( 1个字节(Byte)=8个比特位(bit)), 再对每个内存单元进行编号处理,这样就可以高效管理内存。
 而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
 

所以通过以上可总结:内存单元的编号 == 地址 == 指针   可见指针就是地址,地址就是指针指针的作用就是访问内存的

二.指针变量和地址

理解了内存和地址的关系,就可以理解,在C语⾔中创建变量其实就是向内存申请空间,如下:

上述的代码就是创建了整型变量a,在内存中申请4个字节,⽤于存放整数9,其中每个字节都有地址。

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(单目操作符)

上图所示,会打印出:0x006FFD70 (因为&a取出的是a所占4个字节中地址较小的字节的地址)


 

以上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,那我们把这样的地址值存放在哪⾥呢?答:指针变量中。如下:

以上p为指针变量。p左边写的是 int* , * 是在说明p是指针变量,⽽前⾯的 int 是在说明p指向的是整型(int) 类型的对象。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。 )

我们将地址保存起来,未来是要使⽤的,那怎么使⽤呢?

C语言中,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,则我们必须学习⼀个操作符:* —— 解引⽤操作符

*p 的意思就是通过 p 中存放的地址,找到指向的空间, *p其实就是a变量了;所以*p = 2,这个操作符就是把a改成了2。

 这里有同学肯定在想,如果⽬的就是把a改成2的话,写成 a = 2; 不就完了吗? 为啥⾮要使⽤指针呢? 其实这⾥是把a的修改交给了p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!

指针变量的大小:
由于32位机器有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
则指针变量的大小就是4个字节。如下图所示: 

同理64位机器,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,则指针变量的大小就是8个字节。 如下图所示: 

 由上述总结可得:指针变量的大小取决于地址的大小

  •          32位平台下地址是32个bit位(即4个字节)
  •          64位平台下地址是64个bit位(即8个字节)
  • 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。

三. 指针变量类型的意义

  • 指针的解引用:

以上代码通过调试我们可以看到,其只是将n的第⼀个字节改为0

则可得出结论: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

  • 指针 +- 整数:

观察以上代码可总结出:指针变量类型决定了指针进行加1,减1的时候,能偏移几个字节(一次能走多远 )

  • void* 指针(泛型指针):  无具体类型的指针

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。
如下图:

注:void* 类型的指针不能直接进行指针的解引用 和 +- 整数的运算


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。

四.const修饰指针

  • const用来修饰变量: 如下图:

 因为加上const 的 m 就是具有常属性的变量(常属性:不能被修改的属性)虽然 m 不能被修改,但是本质上还是变量,不是常量。可称 m 为常变量

注:但在C++ 中,const修饰的变量为常m量

 

那 m 怎么才能改呢?具体如下:

  • const修饰指针变量:如下图:

    上述总结: 当const 修饰指针变量放在*左边时,const限制的是:指针变量指向的内容。指针变量指向的内容不能通过指针来修改,但是可以修改指针变量本身的值(其实修改的是指针变量的指向)

上述总结: 当const 修饰指针变量放在*右边时,const限制的是:指针变量本身。指针变量不能再指向其他变量,但是可以通过指针变量,修改指针变量指向的内容
 

上述总结: 当const 修饰指针变量放在*左边和右边时,const限制的是:指针变量本身 和 指针变量指向的内容。

 五.指针运算

指针的基本运算有三种,分别是:

  1.    指针 +- 整数
  2.   指针 - 指针
  3. 指针的关系运算

   指针 +- 整数:

例如:指针 +1  如下:
   

 由以上同理可推出:

type * p

p + 1  -- > 跳过1 * sizeof(type)

p + n-- > 跳过n * sizeof(type)
 

实践:打印数组中的每个元素。 如下图:

由上述总结得:指针1 +-  整数  ==  指针2

指针 - 指针:

注:计算的前提条件:一定是两个指针指向同一块空间!

由上述代码得出:指针 - 指针 == 两个指针之间的绝对值的元素个数

实践: 求字符串的长度。如下图:

上述代码 return  str -  start;   就是指针 - 指针 得出并返回字符串的长度。

指针的关系运算:就是指针和指针比较大小   如下图:
 

上述代码通过指针和指针相互比较打印出数组的每一位。

六. 野指针

概念: 野指针就是指针指向的位置是不可知的(随机的、不正确的、没有明确限制的)

野指针的成因:

  • 指针未初始化:

  •  指针越界访问:

  •  指针指向的空间释放:

如何规避野指针:

  • 指针要初始化:
  1. 如果明确知道指针指向哪⾥,就直接初始化一个明确的值。
  2. 如果不知道指针应该指向哪里,可以给指针赋值NULL。NULL :是C语⾔中定义的⼀个标识符常量,值是0,0也是地址,这个地址是⽆法使⽤的,读写该地址会报错)

举例:

  • 小心指针越界:

⼀个程序向内存申请了哪些空间,通过指针也就只能访问哪些空间,不能超出范围访问,超出了就是越界访问。
 

  • 指针变量不再使用时,及时置NULL,指针使⽤之前检查有效性:

当指针变量指向⼀块区域时,我们可以通过指针访问该区域,后期不再使⽤这个指针访问空间的
时候,我们可以把该指针置为NULL。因为约定俗成的⼀个规则就是:只要是NULL指针就不去访问,同时使⽤指针之前可以判断指针是否为NULL。
我们可以把野指针想象成野狗,野狗放任不管是⾮常危险的,所以我们可以找⼀棵树把野狗拴起来,就相对安全了,给指针变量及时赋值为NULL,其实就类似把野狗栓前来,就是把野指针暂时管理起来。不过野狗即使拴起来我们也要绕着⾛,不能去挑逗野狗,有点危险;对于指针也是,在使⽤之前,我们也要判断是否为NULL,看看是不是被拴起来起来的野狗,如果是,就不能直接使⽤,如果不是,我们再去使⽤。 

  • 避免返回局部变量的地址。

七.assert断言

assert.h 头⽂件定义了宏 assert() ,用于在运行时确保程序符合指定条件,如果不符合,就报错终止运行。 这个宏常常被称为“断言”

如下:

assert(p != NULL);

上述代码检测:p 是否等于 NULL 。如果确实不等于 NULL ,程序继续运⾏,否则就会终⽌运⾏,并且给出报错信息提示。

assert() 宏接受⼀个表达式作为参数。如果该表达式为真(返回值非零), assert() 不会产⽣
任何作⽤,程序继续运⾏。如果该表达式为假(返回值为零), assert() 就会报错,在标准错误
流 stderr 中写⼊⼀条错误信息,显⽰没有通过的表达式,以及包含这个表达式的⽂件名和⾏号。具体如下:

如果该表达式为时:

如果该表达式为时:

注意:assert 不仅可以断言指针还可以断言其他。只要表达式成立就行!

assert() 的使用的好处

  1. 出现错误时,能⾃动标识⽂件和出问题的⾏号
  2. 无需更改代码就能开启或关闭 assert() 的机制(需定义⼀个宏 NDEBUG 。然后重新编译程序,编译器就会禁用文件中所有的 assert() 语句。如果程序又出现问题,可以移除这条 #define NDBUG 指令(或者把它注释掉),再次编译,这样就重启⽤了 assert() 语句。

举例:

#define NDEBUG  未注释时:

从上述代码可看出:assert()机制未起作用(为关闭状态)

#define NDEBUG  注释时:

从上述代码可看出:assert()机制起作用了(为开启状态)

assert() 的缺点是:因为引入了额外的检查,增加了程序的运行时间。

注:⼀般我们可以在 Debug版本中使⽤#define NDEBUG,在 Release 版本中选择禁⽤ assert 就行,因为在 VS 这样的集成开发环境中,Release 版本中直接就是优化掉了。这样在debug版本写有利于程序员排查问题,在 Release 版本不影响⽤⼾使⽤时程序的效率。

八.指针的使用和传址调用

  • strlen(求字符串长度)的模拟实现:

上述代码,参数 str 接收⼀个字符串的起始地址,然后开始统计字符串中 \0 之前的字符个数,最终返回长度。 如果要模拟实现只要从起始地址开始向后逐个字符的遍历,只要不是 \0 字符,计数器就+1,这样直到 \0 就停止了。

  • 传值调用和传址调用:

学习指针的目的是使用指针解决问题,那什么问题,非指针不可呢?

例如:写⼀个函数,实现交换两个整型变量的值 :

错误示范:

观察上述代码我们发现:两值并没产⽣交换,这是为什么呢?

 看上图,我们通过调试发现:在main函数内部,创建了a和b,a的地址是0x00cffdd0,b的地址是0x00cffdc4,在调⽤ Swap函数时,将a和b传递给了Swap函数,在Swap函数内部创建了形参x和y接收a和b的值,但是 x的地址是0x00cffcec,y的地址是0x00cffcf0,x和y确实接收到了a和b的值,但 x 的地址和 a 的地址不⼀样,y 的地址和 b 的地址不⼀样,相当于x和y是独立的空间。那么在Swap函数内部交换 x 和 y 的值, 自然不会影响 a 和 b,当Swap函数调⽤结束后回到main函数,a和b的没法交换。Swap函数在使用的时候,是把变量本⾝直接传递给了函数,这种调⽤函数的⽅式就叫传值调用。所以Swap是失败的了……

得出结论:实参传递给形参的时候,形参会单独创建⼀份临时空间来接收实参,对形参的修改不影响实参。

正确示范:

上述代码就成功的把两整数 a 和 b 交换了。这⾥调⽤Swap函数的时候是将变量的地址传递给了函数,这种函数调用方式叫:传址调⽤

总结:传址调⽤,可以让函数和主调函数之间建⽴真正的联系,在函数内部可以修改主调函数中的变量。所以未来在调用函数时,函数中需要修改主调函数中的变量的值,就可以采⽤传址调⽤。如果函数中只需要主调函数中的变量值来实现计算,就可以采用传值调用。

以上就是个人的理解。由于本人水平有限,如有不足之处,恳请各位老师指出。谢谢!

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