13 学习总结：指针 · 其一

目录

一、内存和地址

（一）内存

（二）内存单元

（三）地址

（四）拓展：CPU与内存的联系

二、指针变量和地址

（一）创建变量的本质

（二）取地址操作符：&

（三）指针变量和解引用操作符：*

1、指针变量

2、指针变量的理解

（1）【int* pa】的理解

（2）【int*】的理解

3、解引用操作符：*

（四）指针变量的大小

三、指针变量类型的意义

（一）解引用操作时，决定可以操作多少个字节

（二）指针 + -  整数时，向前/向后走多大的区别

（三）void* 指针

四、const修饰指针

（一）const修饰变量

（二）const修饰指针变量

五、指针的运算

（一）指针 + 或 -  整数

（二）指针 - 指针

（三）指针的关系运算（指针的比较）

六、野指针

（一）野指针造成的原因

1、指针未初始化

2、指针越界访问

3、指针指向的空间释放

（二）如何规避野指针

1、指针初始化

2、小心指针越界

3、指针变量不再使用时，及时置NULL，指针使用之前检查有效性

4、避免返回局部变量的地址

七、assert断言

八、指针的使用和传址调用

（一）指针的使用：strlen的模拟实现

（二）传值调用和传址调用

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一、内存和地址

（一）内存

        又称内存储器或主存储器，计算机中所有程序的运行都在内存中进行，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，这样使用内存则需要高效地管理内存空间；

（二）内存单元

        就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（8个比特位），每个内存单元都有⼀个编号，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；

（三）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】

        可以理解为：【内存单元的编号 == 地址 == 指针】

（四）拓展：CPU与内存的联系

        有三条总线将CPU与内存连接彼此，交换数据：①地址总线；②数据总线；③控制总线

        交换过程：地址信息通过【地址总线】被下达给内存，在内存上就可以找到相应的数据，将数据通过【数据总线】传入CPU做处理，【控制总线】则负责传递对数据的操作，如读操作、写操作等

二、指针变量和地址

（一）创建变量的本质

        创建变量的本质是在内存中申请空间，例如创建一个 int 变量就是向内存申请4个字节的空间，每个字节都有自己的编号（地址），变量的名字仅仅是给程序员看的，编译器不看名字，编译器是通过地址找内存单元的

（二）取地址操作符：&

         使用：拿到变量的地址

        例如：

int a = 10;&a;

        &a 就可以拿到变量a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，春藤摸瓜访问到4个字节的数据也是可行的

        注：当一个变量占多个内存单元的时候，总会取出该变量的第一个内存单元（地址较小的那个字节）

（三）指针变量和解引用操作符：*

1、指针变量

        通过取地址操作符(&)拿到的地址是⼀个数值，比如：0x0012ff40，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，例如：

#include <stdio.h>
int main()
{int a = 10;int * pa = &a;//取出a的地址并存储到指针变量pa中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、指针变量的理解

        上面例子的写法中的 int *pa 拆开来理解：

（1）【int* pa】的理解

        ①【int *】是变量pa的类型；

        ② pa是一个变量，用来存放地址（指针）的，所以pa又叫指针变量

（2）【int*】的理解

        ① * 表示pa是指针变量；

        ② int 表示【pa 指针变量中保存的地址】所指向的【变量 a】的类型是int

3、解引用操作符：*

        又称为间接访问操作符，用法：

如下演示：

int main()
{int a = 100;int* pa = &a;*pa = 0;此处*pa == a，相当于对a进行修改return 0;
}

        总结：通过【指针变量pa】找到指向的变量a—— *pa（通过pa的值，找到a）

        ① pa —— 指针变量

        ② &pa —— 指针变量pa的地址

        ③ *pa —— pa指向的变量a

（四）指针变量的大小

        【指针变量类型的大小】取决于【地址的大小】，而地址大小由计算机是32位操作系统还是64位操作系统决定

        ① 指针变量是用来存放地址的，一个地址的存放需要多大空间，那么指针变量类型就是多大，所以32位平台总共有32根地址总线，每根线的电信号转化成数字信号后是1或0，那我们把32根地址总线产生的2进制序列作为一个地址，那么一个地址就是32个比特位，就是4个字节；同理，在64位的机器中，一个地址的大小就是8字节

        ② 地址的大小与【指向的原变量的类型大小】无关，就是4字节或者8字节

#include <stdio.h>//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）int main()
{printf("%zd\n", sizeof(char *));printf("%zd\n", sizeof(short *));printf("%zd\n", sizeof(int *));printf("%zd\n", sizeof(double *));return 0;
}

        X86环境输出结果如下：

        X64环境输出结果如下：

        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

• 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，都是4字节或者8字节，为什么还要有各种各样的指针类型呢？

（一）解引用操作时，决定可以操作多少个字节

        如下演示：

#include <stdio.h>
int main()
{int a = 0x11223344;int* p = &a;*p = 0;return 0;
}

        变量a的地址与4个字节的值如下：

        经过 *p = 0；的语句后，4个字节的值全部改为0，如下：

        若代码中指针变量的类型改为char*：

#include <stdio.h>
int main()
{int a = 0x11223344;char* p = &a;*p = 0;return 0;
}

        变量a的地址与4个字节的值如下：

        经过 *p = 0；的语句后，4个字节的值只有一个字节改为0，如下：

      

        结论：指针的类型决定了，解引用操作时，决定可以操作多少个字节

        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

（二）指针 + -  整数时，向前/向后走多大的区别

        如下代码演示：

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

        代码结果如下：

        从结果可以得出：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；

        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）           

 补充：
        int* pa;   
        pa+1——> +1 * sizeof (int)
        pa+n——> +n * sizeof (int)

        char* pa;   
        pa+1——> +1 * sizeof (char)
        pa+n——> +n * sizeof (char)

总结：

        类型* 变量名；

        变量名 + 1 ——> +1 * sizeof（指针指向的变量类型）

（三）void* 指针

        void* ——无具体类型的指针（泛型指针）

        可以接收任何类型的地址，但是正因为他是泛型指针，所以没有特定类型指针的用法，即无法解引用和进行指针的 + - 操作；

        作用：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

（一）const修饰变量

        const修饰变量的时候，叫：常变量；

        本质还是变量，只是不能被修改；

        变量是可以修改的，如果把变量的地址交给⼀个指针变量，通过指针变量的也可以修改这个变量，若不想变量被直接修改，就使用const修饰变量起限制作用

#include <stdio.h>
int main()
{int m = 0;m = 20;//m是可以修改的const int n = 0;n = 20;//n是不能被修改的return 0;
}

        上述代码中n是不能被修改的，其实n本质是变量（无法在数组长度中使用），只不过被const修饰后，在语法上加了限制，只要我们在代码中对n进行修改，就不符合语法规则，就报错，致使没法直接修改n

        但是可以拿到n的地址，通过指针对它进行修改，但这是在打破语法规则

int main()
{const int n = 0;printf("n = %d\n", n);int*p = &n;*p = 20;printf("n = %d\n", n);return 0;
}

        结果如下：

        这里的初衷是不让变量改变，但是通过指针还是能打破const的限制，接下来就要对这一象限改进，直接对指针变量做const限制

（二）const修饰指针变量

        ⼀般来讲const修饰指针变量，可以放在 * 的左边，也可以放在 * 的右边，意义是不⼀样的

int * p;//没有const修饰
int const * p;//const 放在*的左边做修饰
int * const p;//const 放在*的右边做修饰

        如下代码演示：

        代码一：

int a = 10;
int b = 20；
int const * p = &a;*p = 200；err
p = &b；√

        代码一分析：

        这个const限制的是 *p，即p指向的变量a不能改变；但是并没有限制p，所以可以修改p所指向的变量；
        放在*的左边，限制的是指针指向的内容，也就是不能通过指针变量来修改它所指的内容；但是指针变量本身可以改变的

        代码二：

int a = 10;
int b = 20；
int * const p = &a;*p = 200；√
p = &b；err

        代码二分析：

        放在*的右边，限制的是指针变量本身，也就是指针变量本身不可以改变，但可以通过指针变量来修改它所指的内容

        结论：const修饰指针变量的时候

const如果放在 * 的左边，修饰的是【指针指向的内容 *p】，保证指针指向的内容不能通过指针来改变，但是【指针变量本身 p】的内容可变；

const如果放在*的右边，修饰的是【指针变量本身 p】，保证了指针变量的地址指向不能修改，但是【指针指向的内容*p】，可以通过指针改变

五、指针的运算

        指针的基本运算有三种，分别是：

        • 指针 + 或 -  整数

        • 指针 - 指针

        • 指针的关系运算（指针的比较）

（一）指针 + 或 -  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，顺腾摸瓜就能找到后⾯的所有元素

int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};

#include <stdio.h>
//指针+- 整数
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]);for(int i = 0; i < sz; i++){printf("%d ", *(p+i));//p+i 这⾥就是指针+整数}return 0;
}

        注意：指针运算是指对 p 进行运算，而不是对*p，若对 *p 运算，就是对变量a运算了

        在数组中，指针能够“顺腾摸瓜”的原因是：

        ①指针类型决定了【指针+1】的步长，和指针解引用之后的权限；

        ②数组在内存中的地址是连续的

        错误演示代码：

int main()
{int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};char *p = &arr[0];int sz = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);for(int i = 0; i < sz; i++){printf("%d ", *p);p += 4；}return 0;
}

        代码分析：

        每次打印时，都让p += 4，在打印1~10时恰好正确，

        每次访问都只会访问第一个字节，后面三个字节是直接跳过的，所以两位数的时候是正确的，但是数字大一些就会忽略掉第二个字节的数字，就会出错

（二）指针 - 指针

        【指针 - 指针】的运算前提条件是两个指针指向的是同一个空间，否则运算无意义；

        指针 - 指针的【绝对值】，是指针和指针之间【元素的个数】

        应用：求字符串长度 ，如下代码演示：

#include <stdio.h>int my_strlen(char *s)
{char *p = s;//设置尾指针while(*p != '\0' )p++;return p-s;
}int main()
{printf("%d\n", my_strlen("abc"));return 0;
}

        拓展：指针 + 指针？

        答：无意义，类似于 【日期 +- 天数（计算日期）】、【日期 - 日期（算的是两个日期之间差多少天）】有意义，而【日期 + 日期】无意义

（三）指针的关系运算（指针的比较）

        应用：做判断条件使用，数组中，若一个地址小于另一个地址，则执行语句

#include <stdio.h>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;
}

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）

（一）野指针造成的原因

1、指针未初始化

        指针变量也是局部变量，不初始化就会给随机值；

        如果将未初始化的指针变量的值作为地址来进行解引用操作，就会形成非法访问

#include <stdio.h>int main()
{ int *p;//局部变量指针未初始化，默认为随机值*p = 20;return 0;
}

2、指针越界访问

#include <stdio.h>int main()
{int arr[10] = {0};int *p = &arr[0];int i = 0;for(i=0; i<=11; i++){//当指针指向的范围超出数组arr的范围时，p就是野指针*(p++) = i;}return 0;
}

3、指针指向的空间释放

#include <stdio.h>int* test()
{int n = 100;return &n;
}int main()
{int* p = test();printf("%d\n", *p);return 0;
}

（二）如何规避野指针

1、指针初始化

        如果明确知道指针指向哪里就直接赋值地址，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（这个0在C语言中会被强制转化为void*类型），0也是地址，这个地址是无法使用的，读写该地址会报错

        演示代码如下：

#include <stdio.h>
int main()
{int num = 10;int* p1 = &num;int* p2 = NULL;return 0;
}

2、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

3、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的时候，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

        演示代码如下：

int main()
{int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};int *p = &arr[0];for(int i = 0; i<10; i++){*(p++) = i;}//此时p已经越界了，可以把p置为NULLp = NULL;//下次使⽤的时候，判断p不为NULL的时候再使⽤//...p = &arr[0];//重新让p获得地址if(p != NULL) //判断{//...}return 0;
}

4、避免返回局部变量的地址

        不要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”

        使用：#include <assert.h>；assert（表达式）

        作用：判断是否符合指定条件，如果不符合就会终止运行；【通常用来判断指针变量的有效性】

        判断：判断为真则程序继续向下走，判断为假则报错

int* p = NULL;
...
assert（p != NULL）; 
此处经过一些列的代码后，若 p 不等于NULL则正常运行下去，若还是等于NULL，则程序报错，终止运行

        若想取消assert断言，则在#include <assert.h>上面 #define NDEBUG；

        assert断言只在Debug版本中有效，在Release版本中会被优化掉

        缺点：引入了额外的检查，增加了程序的运行时间

八、指针的使用和传址调用

（一）指针的使用：strlen的模拟实现

        库函数strlen的功能是求字符串⻓度，统计的是字符串中 \0 之前的字符的个数

        函数原型如下：

size_t strlen ( const char * str );

        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，代码如下：

size_t my_strlen(const char * str)
{int count = 0;assert(str);//为了保险，判断传来的是不是空地址while(*str){count++;str++;}return count;
}int main()
{size_t len = my_strlen("abcdef");printf("%zd\n", len);return 0;
}

        注：代码中的 const（不希望原值被修改）和 assert（保险判断）来加强代码使用时的健壮性（鲁棒性）
 

（二）传值调用和传址调用

        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；所以未来函数中只是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，如果函数内部要修改主调函数中的变量的值，就需要传址调用

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        以上内容仅供分析，若有错误，请多多指正