C语言 -- 深入理解指针（一）

news2024/11/15 20:23:42

C语言 -- 深入理解指针（一）

  • 1.内存和地址
    • 1.1 内存
    • 1.2 究竟该如何理解编址
  • 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
  • 4. const修饰指针
    • 4.1 const修饰变量
  • 5. 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​
  • 6. 野指针
    • 6.1 野指针成因​
    • 6.2 如何规避野指针​
      • 6.2.1 指针初始化​
      • 6.2.2 小心指针越界
      • 6.2.3 指针变量不再使用时，及时置NULL，指针使用之前检查有效性​
      • 6.2.4 避免返回局部变量的地址
  • 7. assert断言​
  • 8. 指针的使用和传址调用
    • 8.1 strlen的模拟实现​
    • 8.2 传值调用和传址调用​

1.内存和地址

1.1 内存

  • 定义 ：在计算机的组成结构中有一个很重要的部分是存储器。它是用来存储程序和数据的部件。
  • 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？

1.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。一个字节里面能放八个比特。每个内存单元也都有一个编号，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。
2.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。
3.所以我们可以理解为：内存单元的编号 == 地址 == 指针​

关于对内存有着更进一步的了解，我们可以看图：如下
在这里插入图片描述
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
在这里插入图片描述

1.2 究竟该如何理解编址

  • 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。
  • 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。

请看下图
在这里插入图片描述
假设CPU要想去内存中拿数据(值)时，怎么拿呢？
先通过控制总线向内存中读一个数据，读的数据地址在内存哪里呢？

  • 地址总线会给出信息，如果在32位机器上就会有32根地址总线，每一根地址线上都会有一个电信号，高电频或低电频这样的一个电信号，我们把这样的电信号转化成数字信号的时候就是1 或者 0，每根地址线上都给这样的信号话，那32根地址线上就会产生一个二进制序列来作为地址，因为有32根地址总线 所以就能产生2^32种二进制序列，每一种都代表一个地址。

我们要去读一个数据时，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（&）​

首先我们先看下面代码：
在这里插入图片描述
其中每个字节都有地址，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
在看如下代码：

在这里插入图片描述

打印出的a地址是以 16进制的形式输出的。展开的形式不以二进制形式展示，因为二进制位太长了，观察起来不方便。

1.&a取出的是a所占4个字节中地址较小的字节的地址。
2.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。

如下：

在这里插入图片描述

  1. pa 是指针变量 - 存放地址 - 地址又被称为指针，指针变量是用来存放指针的
  2. 指针 和 指针变量的区别
    2.1 指针就是地址，指针变量就是一个变量 -->存放地址
  3. 口头语：说指针一般就是指针变量

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？​
解析下面代码：

在这里插入图片描述

  • int * 是 指针变量pa的类型
  • 这里的 * 说明pa是指针变量
  • 最前面的int是在说明pa指向的对象是int类型的

如下图：

在这里插入图片描述
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？
答案是 ： 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(*)。​

在这里插入图片描述

1 .* pa 的意思就是通过pa中存放的地址，找到指向的空间，
2. * pa其实就是变量a；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

  • 指针变量是用来专门存放地址的，大小取决于一个地址的存放需要多大空间。
  • 在32位机器上，地址线是32根，地址的二进制序列就是32bit位，要把这个地址存起来，就需要4个字节才能存储。
  • 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。

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
结论

  1. 32位平台下地址是32个bit位，指针变量大小是4个字节
  2. 64位平台下地址是64个bit位，指针变量大小是8个字节​
  3. 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
在这里插入图片描述

  • 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

下面再看一段代码，观察地址的变化。
在这里插入图片描述
运行结果：

在这里插入图片描述

  • 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：
在这里插入图片描述

  • 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星类型的指针变量。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：

在这里插入图片描述

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。

4. 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，怎么做呢？这就是const的作用。

在这里插入图片描述

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

我们可以看到这里一个确实修改了，但是我们还是要思考一下，为什么n要被const修饰呢？就是为了不能被修改，如果p拿到n的地址就能修改n，这样就打破了const的限制，这是不合理的，所以应该让p拿到n的地址也不能修改n，那接下来怎么做呢？
首先我们要明白：

1.p里面存放的是地址（a的地址）
2. p是变量，由自己的地址
3.*p是p指向的空间

  • const修饰指针变量的时候放的位置不同，作用不同
  • const 可以放在 * 的左边
  • const 也可以放在 * 的右边
  • const int * p (限制*p)
  • int const * p (限制*p)
  • int * const p (限制 p)

(const限制*p) 意思是：不能通过p来修改p指向的空间内容,但是指针变量本身的内容可变。
(const 限制 p) 意思是:p变量不能被修改了，没办法在指向其他变量了，但是指针指向的内容，可以通过指针改变。

图如下：

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

5. 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​

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
在这里插入图片描述
例子：

在这里插入图片描述

5.2 指针- 指针

在这里插入图片描述

1.指针-指针的绝对值是指针和指针之间的元素个数
2. 指针-指针运算的前提条件是：两个指针指向同一块空间

指针-指针 的应用

在这里插入图片描述

5.3 指针的关系运算​

在这里插入图片描述

6. 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
在这里插入图片描述

全局变量如果不初始化，变量的值默认为0.
静态变量不初始化，值也默认为0；

2. 指针越界访问

在这里插入图片描述

3. 指针指向的空间释放

在这里插入图片描述

  • 局部变量的生命周期是：进入作用域变量创建，生命周期开始，出作用域生命周期结束。也就是变量被销毁。

6.2 如何规避野指针​

6.2.1 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。

在这里插入图片描述

6.2.2 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。

6.2.3 指针变量不再使用时，及时置NULL，指针使用之前检查有效性​

在这里插入图片描述

6.2.4 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。

7. 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”。

assert(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。

下面代码测试

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
int main()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	//....
	//....
	p = NULL;
	int b = 5;
	assert(p != NULL);
	//assert(b == 5);

	printf("%d\n", *p);
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

  • 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>

测试代码如下：

#include <stdio.h>
//#define NDEBUG   没有定义宏时，代码结果会报错
#include <assert.h>
int main()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	//....
	//....
	//p = NULL;
	int b = 20;
	assert(p != NULL);
	assert(b == 5); //断言b == 5,但实际上我们初始化b =20；
					//不符合b ==5 ,报错

	printf("%d\n", *p);
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
测试代码2：

在这里插入图片描述

  • 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 版本不影响用户使用时程序的效率。

8. 指针的使用和传址调用

8.1 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。

在这里插入图片描述

8.2 传值调用和传址调用​

  • 传值调用：在函数调用的时候传的是数值
  • 传址调用：在函数调用的时候传的是地址

下面是一个传值调用的例子

int Add(int x, int y)
{
	return x + y;
}

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	//调用函数
	int ret = Add(a, b); //传值调用
	printf("%d\n", ret);

	return 0;
}
  • 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，交换两个整型变量的值
    一番思考后，我们可能写出这样的代码：

在这里插入图片描述

我们发现其实没产生交换的效果，这是为什么呢？
调试一下，试试呢？

  • 我们发现在main函数内部，创建了a和b，a的地址是0x00cffa58，b的地址是0x00cffa4c，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0x00cff974，y的地址是0x00cff978，x和y确实接收到了a和b的值，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，只有x和y的值交换了，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的没法交换。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。

  • 所以Swap1是失败的了。​
  • 那怎么办呢？
  • 那就用传址调用写个Swap2函数试试
  • 我们现在要解决的就是当调用Swap2函数的时候，Swap2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Swap2函数，Swap2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。

代码如下：

在这里插入图片描述

  • 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。

完

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