深入理解指针

上期回顾：【C语言基础】：深入理解指针(一)

一、指针运算

指针的基本运算有三种，分别是：
1. 指针 ± 整数
2. 指针 - 指针
3. 指针的关系运算

1. 指针 ± 整数

在C语言中，我们知道数组在内存中是连续存放的，所以我们只要知道了数组第一个元素的地址，就可以顺藤摸瓜找到后面元素的地址。

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 sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); // 计算元素个数
	int i = 0;
	for (i = 0; i < sz; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));  // 指针 +- 整数
	}
	return 0;
}

上述示例中，通过 *(p + i) 的方式可以实现指针向前移动 i 个位置，并访问对应位置的数组元素。

2. 指针 - 指针

在C语言中，不止整数之间可以进行运算，其实指针与指针之间也可以进行运算，指针与指针之间可以进行减法运算，两个指针相减得到的是一个整数，表示它们之间相隔元素的个数。

#include<stdio.h>
// 指针 - 指针
// 模拟strlen库函数
my_strlen(char *s)
{
	char* p = s;
	while (*p != '\0')
		p++;
	return p - s;
}

int main()
{
	printf("%d\n", my_strlen("abc"));
	return 0;
}

3. 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 sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);  // 计算数组之间的元素个数
	int i = 0;
	while (p < arr + sz)  // 指针的大小比较
	{
		printf("%d ", *p);
		p++;
	}
	return 0;
}

在上述示例中，通过指针 p 和数组大小 sz 的比较，保证了在不越界的情况下遍历整个数组。

二、野指针

野指针就是指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)

1. 野指针成因

指针未初始化

局部变量未初始化，默认随机值

int main()
{
	int* p;  // 局部变量未初始化，默认随机值
	*p = 30;
	return 0;
}

指针越界访问

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;
}

可以看到，调试运行之后程序直接就抛出异常了，所以为了安全最好要避免野指针的出现。

指针指向的空间释放

int* test()
{
	int n = 100;
	return &n;
}

int main()
{
	int* p = test();
	printf("%d\n", *p);
	return 0;
}

在函数 test() 中，指针返回指向的是一个局部变量 n 的地址，在函数执行完毕后，n 的内存空间会被释放掉，导致返回的指针指向的内存区域已经无效。

2. 如何避免野指针

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。

int main()
{
	int num = 10;
	int* p1 = #
	int* p2 = NULL;
	*p1 = 20;
	// *p2 = 20;  // err
	printf("%d\n", *p1);
	// printf("%d\n", *p2);
	return 0;
}

可以看到，若是我们直接去访问0这个地址，程序会直接给我们报错。

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。

int main()
{
	int arr[10] = { 0 };
	int* p = &arr[0];
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p++) = i;
	}
	return 0;
}

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。

int main()
{
 int arr[10] = {1,2,3,4,5,67,7,8,9,10};
 int *p = &arr[0];
 for(i=0; i<10; i++)
 {
 *(p++) = i;
 }
 //此时p已经越界了，可以把p置为NULL
 p = 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;
}

避免返回局部变量的地址

三、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”。

assret(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 <assert.h> 语句的前⾯，定义⼀个宏 NDEBUG 。

#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 NDEBUG 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：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 版本不影响用户使用时程序的效率。

四、指针的使用和传址调用

4.1 strlen的模拟实现

库函数strlen的功能是求字符串长度，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。

#include<stdio.h>
#include<assert.h>
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;
}

4.2 传值调用和传址调用

【示例】：写⼀个函数，交换两个整型变量的值

错误示范

#include<stdio.h>
void Swap1(int x, int y)
{
	int tmp = 0;
	tmp = x;
	x = y;
	y = tmp;
}

int main()
{
	int a = 0;
	int b = 0;
	scanf("%d %d", &a, &b);
	prinf("交换前：%d %d\n", a, b);
	Swap1(a, b);
	printf("交换后：%d %d\n", a, b);
	return 0;
}

可以发现，代码运行后未发生交换，这是为什么呢？

经过调试后我们发现，main函数内部创建的a和b确实传到了Swap函数里的x和y中，但我们查看a和b的地址与Swap函数里的x和y的地址进行对比时，我们就可以发现问题了，它们的地址不一样，这就相当于Swap函数里的x和y是一个独立的空间，在Swap函数内部进行了交换，但却无法返回到main函数中，导致a和b没有实现交换，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。

解决办法：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，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。

#include<stdio.h>
void Swap2(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：%d %d\n", a, b);
	Swap2(&a, &b);
	printf("交换后：%d %d\n", a, b);
	return 0;
}

我们可以看到实现成Swap2的方式，顺利完成了任务，这⾥调用Swap2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。

五、指针与数组

5.1 数组名的理解

在C语言中，数组名是数组首元素的地址，但是经过实验会发现有两个例外
一个就是sizeof(数组名)，sizeof中单独放数组名，这里的数组名表示整个数组，计算的是整个数组的大小， 单位是字节。
另一个就是**&数组名**，这里的数组名表示整个数组，取出的是整个数组的地址（整个数组的地址和数组首元素 的地址是有区别的）
除此之外，任何地方使用数组名，数组名都表示首元素的地址。

下面我们看个有趣的代码：

#include<stdio.h>
int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	printf("&arr[0]   = %p\n", &arr[0]);
	printf("arr       = %p\n", arr);
	printf("&arr      = %p\n", &arr);
	return 0;
}

我们可以看到，三种打印结果都一模一样，那么，它们的区别在哪里呢？
别急，我们将上面的代码在进行一下扩展：

#include<stdio.h>
int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	printf("&arr[0]      = %p\n", &arr[0]);
	printf("&arr[0] + 1  = %p\n ", &arr[0]);
	printf("arr          = %p\n", arr);
	printf("arr + 1      = %p\n", arr + 1);
	printf("&arr         = %p\n", &arr);
	printf("&arr + 1     = %p\n", &arr + 1);
	return 0;
}

我们将它们都进行加一处理后，在打印它们的地址，就可以看出差别啦。数组名加一在地址上显示增加了四个字节，而&数组名加一后却增加了四十个字节，这是为什么呢？
我们知道整型占四个字节，而数组中有十个元素，也就是说这个数组总共占四十个字节，这样我们就明白了，原来数组名加一就是增加了一个整形元素的字节，而&数组名加一则是跳过一整个数组。
到这里大家应该搞清楚数组名的意义了吧。

5.2 指针访问数组

结合前面所学的知识，我们就可以很方便的利用指针来访问数组。

#include<stdio.h>
int main()
{
	int arr[10] = { 0 };
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);  // 判断数组元素个数
	int* p = arr;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < sz; i++)  // 输入
	{
		scanf("%d", p + i);  // 写法一
		// scanf("%d", arr + i);  // 写法二
	}
	for (i = 0; i < sz; i++)  // 输出
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	return 0;
}

在第18行的地方，将*(p+i)换成p[i]也是能够正常打印的，所以本质上p[i] 是等价于 *(p+i)。
同理arr[i] 应该等价于 *(arr+i)，数组元素的访问在编译器处理的时候，也是转换成首元素的地址+偏移
量求出元素的地址，然后解引用来访问的。

5.3 一维数组传参的本质

我们之前都是在函数外部计算数组的元素个数，那我们可以把数组传给⼀个函数后，函数内部求数组的元素个数吗？

#include<stdio.h>
void test(int arr[])
{
	int sz2 = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	printf("sz2 = %d\n", sz2);
}

int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	int sz1 = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);  // 计算数组中的元素个数
	printf("sz1 = %d\n", sz1);
	test(arr);
	return 0;
}

通过上面的代码我们发现函数内部没有正确获取数组的元素个数。
前面我们说到：数组名是数组首元素的地址；那么在数组传参的时候，传递的是数组名，也就是说本质上数组传参传递的是数组首元素的地址。

所以函数形参的部分理论上应该使用指针变量来接收首元素的地址。那么在函数内部我们写sizeof(arr) 计算的是⼀个地址的大小（单位字节）而不是数组的大小（单位字节）。正是因为函数的参数部分是本质是指针，所以在函数内部是没办法求的数组元素个数的。

#include<stdio.h>
//void test(int arr[])  // 参数写成数组形式，本质上还是指针
//{
//	printf("%d\n", sizeof(arr));
//}

void test(int* arr)  // 参数写成指针形式
{
	printf("%d\n", sizeof(arr));  // 计算⼀个指针变量的⼤⼩
}

int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	test(arr);
	return 0;
}

总结：⼀维数组传参，形参的部分可以写成数组的形式，也可以写成指针的形式。