第七讲：C语言指针（1）

1、内存和地址

1.1、内存

1.2、究竟该如何理解编址

2、指针变量和地址

2.1、取地址操作符（&）

2.2、指针变量和解引⽤操作符

2.2.1、指针变量

2.2.2、如何理解指针类型

2.2.3、解引⽤操作符

2.3、指针变量的⼤⼩

3、指针变量类型的意义

3.1、指针的解引⽤

3.2、指针+-整数

3.3、void* 指针

4、const修饰指针

4.1、const修饰变量

4.2、const修饰指针变量

5、指针运算

5.1、指针+- 整数

5.2、指针-指针

5.3、指针的关系运算

6、野指针

6.1、野指针成因

6.1.1、指针未初始化

6.1.2、指针越界访问

6.1.3、指针指向的空间释放

6.2、如何规避野指针

6.2.1、指针初始化

6.2.2、⼩⼼指针越界

6.2.3、指针变量不再使⽤时，及时置NULL，指针使⽤之前检查有效性

6.2.4、避免返回局部变量的地址

7、assert断⾔

8、指针的使⽤和传址调⽤

8.1、strlen的模拟实现

8.2、传值调⽤和传址调⽤

1、内存和地址

1.1、内存

我们知道计算上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。

其中，每个内存单元，相当于⼀个学⽣宿舍，⼀个⼈字节空间⾥⾯能放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。

⽣活中我们把⻔牌号也叫地址，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

1.2、究竟该如何理解编址

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。

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。

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。

现在的机器一般都是六十四位的。

2、指针变量和地址

2.1、取地址操作符（&）

在C语⾔中创建变量其实就是向内存申请空间，比如：

由图可知a的地址为0x0000007D45EFF744，但是a占了四个字节分别为0x0000007D45EFF744、0x0000007D45EFF745、0x0000007D45EFF746、0x0000007D45EFF747，这四个字节，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，例如：

#include<stdio.h>
int main()
{int a = 10;printf("%p", &a);//取出a的地址，并打印。return 0;
}

运行结果为：

由监视可知，&a取出的是a所占4个字节中地址较⼩的字节的地址。

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，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

我们把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* p = &a;//取出a的地址并存储到指针变量p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。

2.2.2、如何理解指针类型

我们看到p的类型是 int* ，我们该如何理解指针的类型呢？

int a = 10;
int * pa = &a;

这⾥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。

2.2.3、解引⽤操作符

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，这⾥必须学习⼀个操作符叫解引⽤操作符(*)。

#include<stdio.h>
int main()
{int a = 10;int* pa = &a;*pa = 0;return 0;
}

上⾯代码中第7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*pa = 0，这个操作符是把a改成了0。

肯定有人会想，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，指针变的⼤⼩就是8个字节。

#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;
}

运行结果为，X86环境输出结果：

X64环境输出结果：

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？

其实指针类型是有特殊意义的，这将决定在操作中如何理解指针的运算。

3.1、指针的解引⽤

对⽐，下⾯2段代码，主要在调试时观察内存的变化

//代码1
#include <stdio.h>
int main()
{int n = 0x11223344;int* pi = &n;*pi = 0;return 0;
}

//代码2
#include <stdio.h>
int main()
{int n = 0x11223344;char* pc = (char*)&n;*pc = 0;return 0;
}

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。

#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;
}

运行结果为：

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。

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， void* 类型的指针不能直接进⾏指针的+-整数和解引⽤的运算。

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，在接下来中我们会讲解。

4、const修饰指针

4.1、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。

例如：

#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，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就⾏修改，就不符合语法规则，就报错，致使没法直接修改n。

但是如果我们绕过n，使⽤n的地址，去修改n就能做到了，虽然这样做是在打破语法规则。

#include <stdio.h>
int main()
{const int n = 0;printf("n = %d\n", n);int* p = &n;*p = 20;printf("n = %d\n", n);return 0;
}

运行结果为：

我们可以看到这⾥⼀个确实修改了，但是我们还是要思考⼀下，为什么n要被const修饰呢？

就是为了不能被修改，如果p拿到n的地址就能修改n，这样就打破了const的限制，这是不合理的，所以应该让 p拿到n的地址也不能修改n，那接下来怎么做呢？

4.2、const修饰指针变量

我们看下⾯代码，来分析

#include <stdio.h>
//代码1
void test1()
{int n = 10;int m = 20;int* p = &n;*p = 20;//ok?p = &m; //ok?
}
void test2()
{//代码2int n = 10;int m = 20;const int* p = &n;*p = 20;//ok?p = &m; //ok?
}
void test3()
{int n = 10;int m = 20;int* const p = &n;*p = 20; //ok?p = &m; //ok?
}
void test4()
{int n = 10;int m = 20;int const* const p = &n;*p = 20; //ok?p = &m; //ok?
}
int main()
{//测试⽆const修饰的情况test1();//测试const放在*的左边情况test2();//测试const放在*的右边情况test3();//测试*的左右两边都有consttest4();return 0;
}

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，保证指针指向的内容不能通过指针来改变。但是指针变量本⾝的内容可变。

• const如果放在*的右边，修饰的是指针变量本⾝，保证了指针变量的内容不能修改，但是指针指向的内容，可以通过指针改变。

5、指针运算

指针的基本运算有三种，分别是：

• 指针+- 整数

• 指针-指针

• 指针的关系运算

5.1、指针+- 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，顺藤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 i = 0;int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);for (i = 0; i < sz; i++){printf("%d ", *(p + i));//p+i 这⾥就是指针+整数}return 0;
}

运行结果为：

5.2、指针-指针

指针减去指针的绝对值得到的是指针和指针之间的元素的个数。

指针减去指针有一个条件，就是这两个指针要指向同一块内存空间。

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

运行结果为：

5.3、指针的关系运算

指针的关系运算就是比较指针的大小。

标准规定：允许指向数组元素的指针与指向数组最后一个元素后面的那个内存位置的指针比较，但是不允许与指向第一个之前的那个内存位置的指针进行比较。

//指针的关系运算
#include <stdio.h>
int main()
{int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };int* p = &arr[0];int i = 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;
}

运行结果为：

6、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）

6.1、野指针成因

6.1.1、指针未初始化

例如:

#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;
}

6.1.2、指针越界访问

例如：

#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;
}

6.1.3、指针指向的空间释放

例如：

#include <stdio.h>
int* test()
{int n = 100;return &n;
}
int main()
{int* p = test();printf("%d\n", *p);return 0;
}
//运行结果虽然是对的，但是这是非法访问。

6.2、如何规避野指针

6.2.1、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0，0也是地址，这个地址是⽆法使⽤的，它不指向任何有效的空间，读写该地址会报错。

例如：

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

6.2.2、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。

6.2.3、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。

例如：

#include<stdio.h>
int main()
{int arr[10] = { 1,2,3,4,5,67,7,8,9,10 };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;
}

6.2.4、避免返回局部变量的地址

如造成野指针的第3个例⼦，不要返回局部变量的地址。

7、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”。

例如：

assert(p != NULL);

上⾯代码在程序运⾏到这⼀⾏语句时，验证变量 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。

assert() 的使⽤对程序员是⾮常友好的，使⽤ assert() 有⼏个好处：它不仅能⾃动标识⽂件和出问题的⾏号，还有⼀种⽆需更改代码就能开启或关闭 assert() 的机制。

如果已经确认程序没有问题，不需要再做断⾔，就在 #include 语句的前⾯，定义⼀个宏 NDEBUG 。

例如：

#define NDEBUG
#include <assert.h>

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，这样就重新启⽤了 assert() 语句。

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。⼀般我们可以在 Debug 中使⽤，在 Release 版本中选择禁⽤ assert 就⾏，在 VS 这样的集成开发环境中，在 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。

8、指针的使⽤和传址调⽤

8.1、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，最终返回⻓度。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。

参考代码如下：

int my_strlen(const char* str)
{int count = 0;assert(str);while (*str){count++;str++;}return count;
}
int main()
{int len = my_strlen("abcdef");printf("%d\n", len);return 0;
}

8.2、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，交换两个整型变量的值

⼀番思考后，我们可能写出这样的代码：

#include <stdio.h>
void Swap1(int x, int y)
{int tmp = x;x = y;y = tmp;
}
int main()
{int a = 0;int b = 0;scanf("%d %d", &a, &b);printf("交换前：a=%d b=%d\n", a, b);Swap1(a, b);printf("交换后：a=%d b=%d\n", a, b);return 0;
}

运行结果为：

我们发现其实没产⽣交换的效果，这是为什么呢？调试⼀下，试试呢？

我们发现在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 Swap1函数时，将a和b传递给了Swap1函数，在Swap1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，不过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Swap1函数内部交换x和y的值，⾃然不会影响a和b，当Swap1函数调⽤结束后回到main函数，a和b的没法交换。Swap1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我们之前在函数的时候就知道了，这种叫传值调⽤。

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。

所以Swap是失败的了。

我们现在要解决的就是当调⽤Swap函数的时候，Swap函数内部操作的就是main函数中的a和b，直接将a和b的值交换了。那么就可以使⽤指针了

#include <stdio.h>
void Swap1(int* px, int* py)
{int tmp = 0;tmp = *px;*px = *py;*py = tmp;
}
int main()
{int a = 0;int b = 0;scanf("%d %d", &a, &b);printf("交换前：a=%d b=%d\n", a, b);Swap1(&a, &b);printf("交换后：a=%d b=%d\n", a, b);return 0;
}

运行结果为：

我们可以看到实现成Swap1的⽅式，顺利完成了任务，这⾥调⽤Swap1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。

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。

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------由于指针这一块的内容比较多，所以分四篇来讲指针，这是第一篇。

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