C语言—指针（1）

一、内存和地址

（1.1）内存

（1.2）编址的理解

二、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）如何拆解指针变量

（2.2.3）解引用操作符 *

（2.3）指针变量的大小

三、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

四、const修饰指针

（4.1）const修饰变量

（4.2）const修饰指针变量

五、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

六、野指针

（6.1）野指针成因

（6.2）如何规避野指针

七、assert断言

八、传值调用和传址调用

一、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，为了高效的管理这些内存空间，内存被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。

计算机中常⻅的单位（补充）：
⼀个⽐特位可以存储⼀个2进制的位1或者0

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。

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）编址的理解

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。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。如图：

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。虽然硬件与硬件之间是互相独⽴的，但是可以通过“线”连接起来进行通讯。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，我们今天关⼼的⼀组线，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。

二、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，例如：

上述的代码就是创建了整型变量num，内存中申请4个字节，⽤于存放整数5，其中每个字节都
有地址，上图中4个字节的地址分别是：

如果我们想取出num的地址，我们需要用到⼀个操作符(&)-取地址操作符。例如：

效果：（64位地址太长，这里调成32位）

int占四个字节，每个字节都应该有一个地址，但是上图中只打印出一个地址。这是因为，虽然整型变量占⽤4个字节，但是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。所以&num取出的是num所占4个字节中地址较⼩的字节的地址。

（2.2）指针变量和解引用操作符

（2.2.1）指针变量

我们通过取地址操作符(&)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的，⽅便后期再使⽤，这时我们可以把它存到指针变量中。例如：

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）如何拆解指针变量

上文中，ptr 的类型是 int * ，* 是在说明ptr是指针变量，⽽前⾯的 int 是在说明ptr指向的是整型(int)类型的对象。如图：

其他类型同理：

（2.2.3）解引用操作符 *

在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，不过需要使用⼀个操作符叫解引⽤操作符(*)。

上⾯代码中第9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。其他类型同理。

（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。

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。

三、指针变量类型的意义

（3.1）指针的解引用

对比一二组代码：

第一组：

第二组：

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。（指针变量的类型是多少字节就有多少字节的访问权限）

（3.2）指针+-整数

先看⼀段代码，调试观察地址的变化。

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（因为void*没有具体的类型，所以没办法确定+ - 整数和解引用时的权限大小，所以不能进行该操作）。

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，是因为类型不兼容。⽽使⽤void*类型就不会有这样的问题。

这⾥我们可以看到， void* 类型的指针可以接收不同类型的地址，但是⽆法直接进⾏指针运算。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

（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，可以使用const修饰。

上述代码中num2是不能被修改的，其实num2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num2进⾏修改，就不符合语法规则，就报错，致使没法直接修改num2。但是如果我们绕过num2，使⽤num2的地址，去修改num2就能做到了，虽然这样做是在打破语法规则。

我们可以看到这⾥num2确实修改了。但是这种做法是不合理的，num2被const修饰就是为了不被修改，所以要慎用。

（4.2）const修饰指针变量

上述代码中，test1没有问题，可以正常执行，test2中解引用会报错，但是更改指针指向可以，test3中解引用可以正常执行，但无法修改指针指向，test4中解引用和修改指针指向都会报错。

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。

五、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

指针+ - 整数会使指针发生移动（即指针指向的对象发生改变），一般会通过指针+ - 来控制数组。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。

通过指针遍历该数组：

（5.2）指针-指针

指针和指针相减可以类比日期和日期相减，日期 - 日期得到的是相差的天数，同理，指针 - 指针得到的是中间的元素个数。

例如：

注：p2指针指向的对象会算到个数里，p1不算。

（5.3）指针的关系运算

指针是可以比较大小的，例如：

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）。

（6.1）野指针成因

1、指针未初始化：

2、指针越界访问

3、指针指向的空间释放

（6.2）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0，0也是地址，这个地址是⽆法使⽤的，读写该地址会报错。

例如：

2、避免指针越界

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。

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。

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”。我们可以通过断言来判断指针是否为空。例如：

上⾯代码在程序运⾏到断言这⼀⾏语句时，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 <assert.h> 语句的前⾯，定义⼀个宏 NDEBUG 。如下图：

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。

八、传值调用和传址调用

在某些特定情况下，我们必须使用指针才能解决问题，例如：写⼀个函数，交换两个整型变量的值

如果不使用指针：

测试结果：

这里调用函数后a,b的值并没有交换，我们可以调试观察。

我们发现在main函数内部，创建了a和b，a的地址是0x00f8fd2c，b的地址是0x00f8fd20，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0x00f8fc48，y的地址是0x00f8fc4c，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没有交换，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。

那么如果想交换，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，在main函数中将a和b的地址传递给Swap函数，Swap函数⾥边通过地址间接的操作main函数中的a和b，并达到交换的效果就好了。