玩转C语言——深入理解指针

一、指针概念

1.1 内存和地址

在开始学习指针前，我们先来讲一个例子，假如你身处一栋楼中，你点了一份外卖，那么，外卖员如何能找到你？有两种方法。法一：直接一间一间找，这样做不仅消耗时间长，而且效率低。法二：把房间编号，然后告诉外卖员房间号即可。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。

生活中如此，计算机中亦如此。计算机为了实现对内存的高效管理，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，相当于⼀个房间，⼀个⼈字节空间⾥⾯能放8个⽐特位，就好⽐一个房间住八个人，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 指针变量和地址

理解了以上概念，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。

那我们怎么拿到地址呢？那就不得不拿出一个操作符了——&（取地址操作符），它的作用便是拿出地址。

	int a = 4;
	printf("%p", &a);

这样便可打印出a的地址。

1.3 指针的类型

那么，指针都有哪些类型呢？

        int *ptr; // 声明一个指向整数的指针

         char *ptr; // 声明一个指向字符的指针

         double *ptr; // 声明一个指向双精度浮点数的指针

总之，和我们以前学习变量类型时差不多，那我们该如何判断指针类型呢？

从语法的角度看，你只要把指针声明语句里的指针名字去掉，剩下的部分就是这个指针的类型。这是指针本身所具有的类型。让我们看看各个指针的类型：
int*ptr;//指针的类型是int*
char*ptr;//指针的类型是char*
int**ptr;//指针的类型是int**
int(*ptr)[3];//指针的类型是int(*)[3]
int*(*ptr)[4];//指针的类型是int*(*)[4]
怎么样？找出指针的类型的方法是不是很简单？

1.4 指针变量和解引⽤操作符（*）

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。

	int a = 4;
	int* p = &a;

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。

我们把地址保存好以后，我们该如何使用呢？大家想象一下：我们如何把锁住门打开，答案很简单，使用钥匙即可。同理，我们如何使用地址，就要找出与之匹配的“钥匙”那就是叫解引⽤操作符(*)。

	int a = 4;
	int* p = &a;
	*p = 0;

以上代码，使用了*操作符，什么意思呢？即*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。

1.5 指针的大小

初步了解了使用后，我们肯定要了解一下指针的大小，那指针的大小和什么有关呢？大家可以先猜测一下，我们随后解密。

#include<stdio.h>
int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(char*));
	printf("%zd\n", sizeof(short*));
	printf("%zd\n", sizeof(int*));
	printf("%zd\n", sizeof(double*));
	return 0;
}

答案如下：

总结：

        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。

1.6 指针变量类型的意义

调试以下代码，观察内存变化。

#include <stdio.h>
int main()
{
 int n = 0x11223344;
 int *pi = &n; 
 *pi = 0; 
 return 0;
}//代码一

#include <stdio.h>
int main()
{
 int n = 0x11223344;
 char *pi = &n; 
 *pi = 0; 
 return 0;
}//代码二

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）。

1.7 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）

形成原因：

1. 指针未初始化

#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;
}//此代码在VS上会报错

2.指针越界访问

#include<stdio.h>
int main()
{
	int arr[10] = { 0 };
	int* p = arr;
	for (int 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 = arr[i];
		p++;
	}
	return 0;
}

3.指针指向的空间释放

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

那该如何避免指针变成野指针呢？

1.指针初始化，明确指针指向哪里。如若不知道可以赋值为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。）

2.⼩⼼指针越界，不要越界访问。

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。

4.避免返回局部变量的地址。

1.8 const修饰

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。变量中可以这样使用，指针亦是如此。

#include<stdio.h>
void test1()
{
	int n = 10;
	int m = 20;
	int* p = &n;
	*p = 20;//ok?
	p = &m; //ok?
}
void test2()
{
	int 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;
	const int*const p = &n;
	*p = 20;//ok?
	p = &m; //ok?
}
int main()
{
	test1();//无const修饰
	test2();//const在*的左边
	test3();//const在*的右边
	test4();//const在*的两边
	return 0;
}

大家可自行在VS上验证，观察是否会报错。

这里直接说结论：

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。

大家可以这样理解：假如你带你女朋友去逛街，突然想吃凉皮，你要是想守住你的钱袋子，就在左边加const，这样你的钱袋子就保住了，但是你的女朋友可能会想，连个凉皮都不给我，我要换男朋友，然后你就没女朋友了。所幸刚刚是做梦，但是不幸的是，你女朋友现在就是要吃凉皮，为了避免上一次情况的出现，把*放入了const右边，给她了一碗凉皮，这样她就不会换男朋友了。就在你为余额清零心疼不已时，你又醒了，原来又是一个梦，你女朋友又要吃凉皮，你重生归来，顿时恼怒，结合前两世方法，在const两边都加*，这样你既不用花钱，有能保住女朋友，这才是重生文男主。（仅当帮助记忆，无其他不良引导）

1.9 二级指针

指针变量也是变量，是变量就有地址，那指针变量的地址存放在哪⾥？

答案是：二级指针。

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

对于⼆级指针的运算有：

*pa 通过对pa中的地址进⾏解引⽤，这样找到的是 p ， *pa 其实访问的就是 p 。

**pa 先通过 *pa 找到 p ,然后对 p 进⾏解引⽤操作： *pa ，那找到的是 a 。

我觉得可以把多级指针想象成多级导数或者剥洋葱，逐渐抽丝剥茧，最后寻到本质。

二、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

2.1 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 main()
{
	int arr[10] = { 0 };
	int* p = &arr[0];
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	for (int i = 0; i < sz; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	return 0;
}

2.2 指针-指针

int my_strlen(char* s)
{
	char* p = s;
	while (*p != '\0')
		p++;
	return p - s;
}
int main()
{
	printf("%d\n", my_strlen("abcd"));
	return 0;
}

2.3 指针的关系运算

int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	int* p = &arr;
	int i = 0;
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	while (p < arr + sz)
	{
		printf("%d ", *p);
		p++;
	}
	return 0;
}

三、指针与数组

3.1 数组名理解

在学习函数时，我们要传数组时，总是写的是数组名。当你看到这时，或许会好奇数组名是什么？用以下代码来演示：

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);
		return 0;
	return 0;
}

运行结果如下：

我们发现它们的地址一样，所以我们得出如下结论：

数组名是地址并且是数组首元素的地址。

这里强调两个例外：

• 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

• &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）

那么，arr和&arr有什么区别呢？那可以试试如下代码：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	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;

这⾥我们发现&arr[0]和&arr[0]+1相差4个字节，arr和arr+1 相差4个字节，是因为&arr[0] 和 arr 都是⾸元素的地址，+1就是跳过⼀个元素。但是&arr 和 &arr+1相差40个字节，这就是因为&arr是数组的地址，+1 操作是跳过整个数组的。

3.2使⽤指针访问数组

有了前⾯知识的⽀持，再结合数组的特点，我们就可以很⽅便的使⽤指针访问数组了。

#include <stdio.h>
int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	int* p = arr;
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	for (int i = 0; i < sz; i++)
	{
		printf("%d ", (*p + i));
	}
	return 0;
}

这个代码搞明⽩后，我们再试⼀下，如果我们再分析⼀下，数组名arr是数组⾸元素的地址，可以赋值给p，其实数组名arr和p在这⾥是等价的。那我们可以使⽤arr[i]可以访问数组的元素，那p[i]是否也可以访问数组呢？

#include <stdio.h>
int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	int* p = arr;
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	for (int i = 0; i < sz; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	return 0;
}

我们可以得出：arr[i]等价于*（arr+i）。

3.3 一维数组传参本质

我们在学习函数时，也传递过数组。那么，我们到底传过去的是什么呢？

#include <stdio.h>
void test(int arr[])
{
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	printf("%d", sz);
}
int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	test(arr);
	return 0;
}

结果如下：

这就要学习数组传参的本质了，说本质上数组传参本质上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。

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。

3.4 指针数组

指针数组是指针还是数组？我们类⽐⼀下，整型数组，是存放整型的数组，字符数组是存放字符的数组。那指针数组呢？是存放指针的数组。

指针数组的每个元素都是⽤来存放地址（指针）的。

指针数组的每个元素是地址，⼜可以指向⼀块区域。

3.5 指针数组模拟⼆维数组

我们知道，二维数组在内存里是连续存放的。

pa[i]是访问pa数组的元素，pa[i]找到的数组元素指向了整型⼀维数组，pa[i][j]就是整型⼀维数组中的元素。

#include <stdio.h>
int main()
{
	int arr1[] = { 1,2,3,4,5 };
	int arr2[] = { 6,7,8,9,10 };
	int arr3[] = { 11,12,13,14,15 };
	//数组名是数组⾸元素的地址，类型是int*的，就可以存放在pa数组中
	int* pa[3] = { arr1, arr2, arr3 };
	int i = 0;
	int j = 0;
	for (i = 0; i < 3; i++)
	{
		for (j = 0; j < 5; j++)
		{
			printf("%d ", pa[i][j]);
		}
		printf("\n");
	}
	return 0;
}

3.6 数组指针变量

前面我们已经学习过了指针数组，指针数组是把指针放到一个数组中，那么，数组指针变量是指针变量？还是数组？

答案是：指针变量。

我们已经熟悉：

• 整形指针变量： int * pint; 存放的是整形变量的地址，能够指向整形数据的指针。

• 浮点型指针变量： float * pf; 存放浮点型变量的地址，能够指向浮点型数据的指针。

那数组指针变量应该是：存放的应该是数组的地址，能够指向数组的指针变量。

int* p1[10];
int (*p2)[10];

大家可以先猜测一下p1和p2分别是什么？

数组指针变量

int （*p)[10];

解释：p先和*结合，说明p是⼀个指针变量变量，然后指着指向的是⼀个⼤⼩为10个整型的数组。所以 p是⼀个指针，指向⼀个数组，叫数组指针。这⾥要注意：[]的优先级要⾼于*号的，所以必须加上（）来保证p先和*结合。

那问题来了，那该这么初始化?数组指针本质是什么？答案是指针。指针是用来干什么的？答案是存放地址？那数组指针是不是可以理解为：存放数组的地址。所以：如果要存放个数组的地址，就得存放在数组指针变量中。

int arr[10] = {0};
int (*p)[10] = &arr;

通过调试，我们发现&arr与p的类型一致，证明我们的结论是正确的。

数组指针类型解析：

int(*p)[10] = &arr;
|   |   |
|   |   |
|   |   p指向数组的元素个数
|   p是数组指针变量名
p指向的数组的元素类型

3.7 二维数组传参本质

学习到这里我们就可以解释二维数组传参本质。当时我们代码如下：


#include <stdio.h>
int main()
{
	int arr1[] = { 1,2,3,4,5 };
	int arr2[] = { 6,7,8,9,10 };
	int arr3[] = { 11,12,13,14,15 };
	//数组名是数组⾸元素的地址，类型是int*的，就可以存放在pa数组中
	int* pa[3] = { arr1, arr2, arr3 };
	int i = 0;
	int j = 0;
	for (i = 0; i < 3; i++)
	{
		for (j = 0; j < 5; j++)
		{
			printf("%d ", pa[i][j]);
		}
		printf("\n");
	}
	return 0;
}

这⾥实参是⼆维数组，形参也写成⼆维数组的形式，那还有什么其他的写法吗？

⾸先我们再次理解⼀下⼆维数组，⼆维数组起始可以看做是每个元素是⼀维数组的数组，也就是⼆维数组的每个元素是⼀个⼀维数组。那么⼆维数组的⾸元素就是第⼀⾏，是个⼀维数组。

所以，根据数组名是数组⾸元素的地址这个规则，⼆维数组的数组名表⽰的就是第⼀⾏的地址，是⼀维数组的地址。根据上⾯的例⼦，第⼀⾏的⼀维数组的类型就是 int [5] ，所以第⼀⾏的地址的类型就是数组指针类型 int(*)[5] 。那就意味着⼆维数组传参本质上也是传递了地址，传递的是第⼀⾏这个⼀维数组的地址，那么形参也是可以写成指针形式的。如下：

#include<stdio.h>
void test(int *p[5],int a,int b)
{
	for (int i = 0; i < a; i++)
	{
		for (int j = 0; j < b; j++)
		{
			printf("%d", *((*p+i)+j));
		}
	}
}
int main()
{
	int arr[3][5] = { {1,2,3,4,5}, {2,3,4,5,6},{3,4,5,6,7} };
	test(arr, 3, 5);
	return 0;
}

总结：⼆维数组传参，形参的部分可以写成数组，也可以写成指针形式。

四、指针与函数

4.1 函数指针变量的创建

什么是函数指针呢？通过前面的学习我们不难知道。函数指针变量应该是⽤来存放函数地址的，未来通过地址能够调⽤函数的。

那我们不禁要问？函数真的有地址吗？我们来代码验证一下：

#include<stdio.h>
void test()
{
	;
}
int main()
{
	test();
	printf("%p\n", test);
	printf("%p\n", &test);
	return 0;
}

确实打印出来了地址，所以函数是有地址的，函数名就是函数的地址，当然也可以通过 &函数名的⽅式获得函数的地址。

如果我们要将函数的地址存放起来，就得创建函数指针变量咯，函数指针变量的写法其实和数组指针⾮常类似。

#include<stdio.h>
void test()
{
	;
}
int add(int x, int y)
{
	return x + y;
}
int main()
{
	int x = 3;
	int y = 4;
	test();
	int ret = add(x, y);
	void(*p)() = test;
	int(*p1)(int, int) = add;//里面有无x，y都一样
	return 0;
}

函数指针类型解析：

int (*pf3) (int x, int y)
|	  | ------------
|	  |		|
|	  |		pf3指向函数的参数类型和个数的交代
|	  函数指针变量名
pf3指向函数的返回类型
int (*) (int x, int y) //pf3函数指针变量的类型

4.2 函数指针变量的使⽤

通过函数指针调⽤指针指向的函数。

#include<stdio.h>
int add(int x, int y)
{
	return x + y;
}
int main()
{
	int x = 2;
	int y = 3;
	int ret = add(x, y);
	int(*p1)(int, int) = add;
	printf("%d\n", p1(2,3));
	printf("%d\n", (*p1)(2, 3));
    printf("%d\n",ret);
	return 0;
}

4.3 typedef关键字

typedef 是⽤来类型重命名的，可以将复杂的类型，简单化。

像unsigned int 你觉得写得麻烦，你就可以把它定义成unit。

typedef unsigned int unit；

如果是指针类型，能否重命名呢？其实也是可以的。

typedef int* pt_t;

但是对于数组指针和函数指针稍微有点区别：⽐如我们有数组指针类型 int(*)[5] ,需要重命名为 parr_t ，那可以这样写：

typedef int(*parr_t)[5];//parr_t必须放入*右边

函数指针类型的重命名也是⼀样的，⽐如，将 void(*)(int) 类型重命名为 pf_t ,就可以这样写：


typedef void(*pf_t)（int）;//parr_t必须放入*右边

4.4 函数指针数组

数组是⼀个存放相同类型数据的存储空间，那要把函数的地址存到⼀个数组中，那这个数组就叫函数指针数组，那函数指针的数组如何定义呢？如下：

int (*p[10])();

p 先和 [] 结合，说明 parr1是数组，数组的内容是什么呢？是 int (*)() 类型的函数指针。

五、转移表

函数指针数组的⽤途：转移表。

举例：计算器的⼀般实现：

在没学习函数指针数组之前：

#include<stdio.h>
void menu()
{
	printf("*************************\n");
	printf(" *****1:add 2:sub *******\n");
	printf(" *****3:mul 4:div *******\n");
	printf(" *******0:exit **********\n");
	printf("*************************\n");
	printf("请选择：");
}
int add(int x, int y)
{
	return x + y;
}
int sub(int x, int y)
{
	return x - y;
}
int mul(int x, int y)
{
	return x * y;
}
int div(int x, int y)
{
	return x / y;
}
int main()
{
	int x = 0;
	int y = 0;
	int input = 0;
	int ret = 0;
	do
	{
		menu();
		scanf("%d", &input);
		switch (input)
		{
		case 1:
			printf("请输入要计算的两个数:");
			scanf("%d%d", &x, &y);
			ret =add(x,y);
			printf("ret = %d", ret);
			break;
		case 2:
			printf("请输入要计算的两个数:");
			scanf("%d%d", &x, &y);
			ret = sub(x, y);
			printf("ret = %d", ret);
			break;
		case 3:
			printf("请输入要计算的两个数:");
			scanf("%d%d", &x, &y);
			ret = mul(x, y);
			printf("ret =%d", ret);
			break;
		case 4:
			printf("请输入要计算的两个数:");
			scanf("%d%d", &x, &y);
			ret = div(x, y);
			printf("ret = %d", ret);
			break;
		default:
			printf("选择错误，重新选择");
			break;
		}
	} while (input);
	return 0;
}

我们可以看出，不仅非常繁琐，还涉及许多不必要的重复，这是我们就可以来优化一下：

#include<stdio.h>
void menu()
{
	printf("*************************\n");
	printf(" *****1:add 2:sub *******\n");
	printf(" *****3:mul 4:div *******\n");
	printf(" *******0:exit **********\n");
	printf("*************************\n");
	printf("请选择：");
}
int add(int x, int y)
{
	return x + y;
}
int sub(int x, int y)
{
	return x - y;
}
int mul(int x, int y)
{
	return x * y;
}
int div(int x, int y)
{
	return x / y;
}
int main()
{
	int x = 0;
	int y = 0;
	int input = 0;
	int ret = 0;
	int (*p[5])(x, y) = { 0,add,sub,mul,div };
	do
	{
		menu();
		scanf("%d", &input);
		scanf("%d%d", &x, &y);
		if (input > 0 && input < 5)
		{
			printf("%d", (p[input])(x, y));
		}
	} while (input);
	return 0;
}

我们可以看到更加的简洁，这就是函数指针数组的好处。