C语言第十七弹---指针(一)

news2024/9/27 23:29:23

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💗系列专栏: 【C语言详解】 【数据结构详解】

指针

1、内存和地址

1.1、内存

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、如何拆解指针类型

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

总结


1、内存和地址

1.1、内存

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,给每个房间编上豪,如:
⼀楼:101,102,103...
⼆楼:201,202,203....
...
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中,又是怎么样呢?
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。
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
bit - ⽐特位    
byte - 字节
KB
MB
GB
TB
PB
1byte = 8bit
1KB = 1024byte
1MB = 1024KB
1GB = 1024MB
1TB = 1024GB
1PB = 1024TB
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

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“都瑞咪发嗦啦”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。
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。3 2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。

2、指针变量和地址

2.1、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:
#include <stdio.h>
int main()
{
 int a = 10;
 return 0;
}
比如,上述的代码就是创建了整型变量a,内存中申请4个字节,用于存放整数10,其中每个字节都有地址,上图中4个字节的地址分别是:(VS x86环境)
指针在内存中所在的字节数是由系统的寻址能力决定的,寻址能力就是CPU对于该数据范围处理的极限能力,理论上32位系统(x86环境)的寻址能力是2的32次(4GB,也就是现在的虚拟内存为4GB),也就是32bit,按照一个字节8bit来算就是4个字节。
因此x86环境指针为8个bit位。
0x006FFD70
0x006FFD71
0x006FFD72
0x006FFD73

//此结果并不是固定的,因此不必因为自己代码结果不一样觉得有问题。
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
#include <stdio.h>
int main()
{
 int a = 10;
 &a;//取出a的地址
 printf("%p\n", &a);
 return 0;
}
按照博主画图的例子,会打印处理:006FFD70
&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

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。
比如:
#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。

2.2.2、如何拆解指针类型

我们看到pa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?
char ch = 'w';
pc = &ch;//pc 的类型怎么写呢?

char* pc=&ch;

2.2.3、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(*)。
#include <stdio.h>
int main()
{
 int a = 100;
 int* pa = &a;
 *pa = 0;//第七行
 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.
有同学肯定在想,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。
#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;
}
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,我们接下来继续学习。

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;
}
代码运行的结果如下:
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。
举例:
#include <stdio.h>
int main()
{
 int a = 10;
 int* pa = &a;
 char* pc = &a;
 return 0;
}
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。
使用void*类型的指针接收地址:
#include <stdio.h>
int main()
{
 int a = 10;
 void* pa = &a;
 void* pc = &a;
 
 *pa = 10;
 *pc = 0;
 return 0;
}
VS编译代码的结果:
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。
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,在后序指针会详细讲解。

总结


本篇博客就结束啦,谢谢大家的观看,如果公主少年们有好的建议可以留言喔,谢谢大家啦!

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