C语言——从头开始——深入理解指针（1）

一.内存和地址

我们知道计算上CPU（中央处理器）在处理数据的时候，是通过地址总线把需要的数据从内存中读取的，后通过数据总线把处理后的数据放回内存中。如下图所示：

计算机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（ 1个字节(Byte)=8个比特位(bit)），再对每个内存单元进行编号处理，这样就可以高效管理内存。
而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。

所以通过以上可总结：内存单元的编号 == 地址 == 指针 可见指针就是地址，地址就是指针。指针的作用就是访问内存的

二.指针变量和地址

理解了内存和地址的关系，就可以理解，在C语⾔中创建变量其实就是向内存申请空间，如下：

上述的代码就是创建了整型变量a，在内存中申请4个字节，⽤于存放整数9，其中每个字节都有地址。

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（单目操作符）

上图所示，会打印出：0x006FFD70 （因为&a取出的是a所占4个字节中地址较小的字节的地址）

以上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，那我们把这样的地址值存放在哪⾥呢？答：指针变量中。如下：

以上p为指针变量。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。（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。）

我们将地址保存起来，未来是要使⽤的，那怎么使⽤呢？

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，则我们必须学习⼀个操作符：* —— 解引⽤操作符

*p 的意思就是通过 p 中存放的地址，找到指向的空间， *p其实就是a变量了；所以*p = 2，这个操作符就是把a改成了2。

这里有同学肯定在想，如果⽬的就是把a改成2的话，写成 a = 2; 不就完了吗? 为啥⾮要使⽤指针呢？其实这⾥是把a的修改交给了p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!

指针变量的大小：
由于32位机器有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
则指针变量的大小就是4个字节。如下图所示：

同理64位机器，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，则指针变量的大小就是8个字节。如下图所示：

由上述总结可得：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）
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

指针的解引用：

以上代码通过调试我们可以看到，其只是将n的第⼀个字节改为0

则可得出结论：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 +- 整数：

观察以上代码可总结出：指针变量类型决定了指针进行加1，减1的时候，能偏移几个字节（一次能走多远）

void* 指针（泛型指针）： 无具体类型的指针

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。如下图：

注：void* 类型的指针不能直接进行指针的解引用和 +- 整数的运算

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。

四.const修饰指针

const用来修饰变量： 如下图：

因为加上const 的 m 就是具有常属性的变量（常属性：不能被修改的属性）虽然 m 不能被修改，但是本质上还是变量，不是常量。可称 m 为常变量

注：但在C++ 中，const修饰的变量为常m量

那 m 怎么才能改呢？具体如下：

const修饰指针变量：如下图：
上述总结：当const 修饰指针变量放在*左边时，const限制的是：指针变量指向的内容。指针变量指向的内容不能通过指针来修改，但是可以修改指针变量本身的值（其实修改的是指针变量的指向）

上述总结：当const 修饰指针变量放在*右边时，const限制的是：指针变量本身。指针变量不能再指向其他变量，但是可以通过指针变量，修改指针变量指向的内容

上述总结：当const 修饰指针变量放在*左边和右边时，const限制的是：指针变量本身和指针变量指向的内容。

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

指针 +- 整数:

例如：指针 +1 如下：

由以上同理可推出：

type * p

p + 1 -- > 跳过1 * sizeof(type)

p + n-- > 跳过n * sizeof(type)

实践：打印数组中的每个元素。如下图：

由上述总结得：指针1 +- 整数 == 指针2

指针 - 指针：

注：计算的前提条件：一定是两个指针指向同一块空间！

由上述代码得出：指针 - 指针 == 两个指针之间的绝对值的元素个数

实践：求字符串的长度。如下图：

上述代码 return str - start; 就是指针 - 指针得出并返回字符串的长度。

指针的关系运算：就是指针和指针比较大小如下图：

上述代码通过指针和指针相互比较打印出数组的每一位。

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）

野指针的成因：

指针未初始化：

指针越界访问：

指针指向的空间释放：

如何规避野指针:

指针要初始化:

如果明确知道指针指向哪⾥，就直接初始化一个明确的值。
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）

举例：

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。

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时，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。
我们可以把野指针想象成野狗，野狗放任不管是⾮常危险的，所以我们可以找⼀棵树把野狗拴起来，就相对安全了，给指针变量及时赋值为NULL，其实就类似把野狗栓前来，就是把野指针暂时管理起来。不过野狗即使拴起来我们也要绕着⾛，不能去挑逗野狗，有点危险；对于指针也是，在使⽤之前，我们也要判断是否为NULL，看看是不是被拴起来起来的野狗，如果是，就不能直接使⽤，如果不是，我们再去使⽤。

避免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”

如下：

assert(p != NULL);

上述代码检测：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。具体如下：

如果该表达式为假时：

如果该表达式为真时：

注意：assert 不仅可以断言指针还可以断言其他。只要表达式成立就行！

assert() 的使用的好处：

出现错误时，能⾃动标识⽂件和出问题的⾏号
无需更改代码就能开启或关闭 assert() 的机制（需定义⼀个宏 NDEBUG 。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，这样就重启⽤了 assert() 语句。）

举例：

#define NDEBUG 未注释时：

从上述代码可看出：assert（）机制未起作用（为关闭状态）

#define NDEBUG 注释时：

从上述代码可看出：assert（）机制起作用了（为开启状态）

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。

注：⼀般我们可以在 Debug版本中使⽤#define NDEBUG，在 Release 版本中选择禁⽤ assert 就行，因为在 VS 这样的集成开发环境中，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.指针的使用和传址调用

strlen（求字符串长度）的模拟实现:

上述代码，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 就停止了。

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，实现交换两个整型变量的值 ：

错误示范：

观察上述代码我们发现：两值并没产⽣交换，这是为什么呢？

看上图，我们通过调试发现：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 Swap函数时，将a和b传递给了Swap函数，在Swap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，但 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Swap函数内部交换 x 和 y 的值，自然不会影响 a 和 b，当Swap函数调⽤结束后回到main函数，a和b的没法交换。Swap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就叫传值调用。所以Swap是失败的了……

得出结论：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。

正确示范：