C语言：深入理解指针(1)

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一.内存和地址

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 一楼：101,102,103…
2 二楼：201,202,203…
3…
有了房间号，如果你的朋友得到房间号，就可以快速的找房间，找到你。生活中，每个房间有了房间号，就能提高效率，能快速的找到房间。

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。
计算机中常见的单位（补充）:
一个比特位可以存储一个2进制的位1或者0。

补充：

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。

我们来画图理解一下

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。

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！

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个地址。根地址线，就能表示2^32种含义，每一种含义都代表一地址。

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。

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二.指针变量和地址

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语言中创建变量其实就是向内存申请空间，比如：

我们可以打开调试窗口内存来看内存分配情况。

我们可以看到每一个字节都有一个地址，但是我们要知道a的地址是创建变量a申请空间的第一个字节的地址，取的是地址较小的那个地址。

虽然整型变量占用4个字节，我们只要知道了第一个字节的地址，顺藤摸瓜访问到4个字节的数据也是可以的。

2.指针变量和解引用操作符

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：0x006FFD70，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。

我们先来看例子：

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。

我们来稍微总结一下：

我们看到pa的类型是int*，我们该如何理解指针的类型呢?

1   int a = 10;
2   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？

1  char ch = 'w';
2  char* pc = &ch ;

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;

但是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，为了我们写代码就会更加灵活，后期慢慢就能理解了。

来看相关的例子：

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。

我们来看分别在x86和x64环境下指针变量的大小。

总结一下

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。

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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，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，我们接下来继续学习。

1.指针的解引用

我们来看两段代码

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。
所以指针类型意义是非常重要的，比如你想要访问这个地址多少字节，通过指针类型来决定的。

2.指针加减整数

我们先看一段代码，调试观察地址的变化。

我们可以看到pi加一地址加上了4，pc加一地址加上了1，它们两个的区别是还是指针类型的区别。因为pi是int *指针认为它是整型类型的变量，一次能访问4个字节，所以加一跳4个字节，pc是char *指针认为它是字符类型的变量，一次只能访问一个字节，所以加一跳一个字节。这就是指针变量的类型差异带来的变化，指针可以+1，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.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，void * 类型的指针不能直接进行指针的＋﹣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。

但是void指针不能这样用：

它的用途是专门用来存放别人传过来的地址，你也不知道传过来的是什么样的地址，这个时候就可以用void指针来接收就行了，等你想用的时候你通过强制类型转换转换成你想要的类型然后再去使用就可以了。

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，在后面的博客中会讲到的，因为关于C语言的指针内容很多有可能要发几篇才能结束。

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四.const修饰指针

1.const修饰变量

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。但是如果我们希望一个变量加上一些限制，不能被修改，怎么做呢？这就是const的作用。

这个时候会报错，被const修饰后就具有常属性，不能被修改。在C语言中，这里的num是常变量，num的本质还是变量，因为有const修饰，编译器在语法上不允许修改这个变量。在C++语言中，这里的num就是常量。

但是我们可以用其他的手段来改变被const修饰的变量，请看：

2.const修饰指针

const放在左边限制的是p，意思是：表示指针指向的内容，不能通过指针来改变了，但是指针变量本身的值是可以改的。

当const放在*右边限制的是指针p，意思是：表示指针变量p本身不可以修改了，但是指针指向的内容是可以通过指针变量来改变的。

如果*左右两边都有const，意思是：指针变量p不能被修改，指针变量p指向的内容也不能被修改。