C语言深入理解指针1

news2024/11/24 14:41:17

1. 内存和地址

1.1内存

内存空间如何高效管理?把内存划分一个个的内存单元，每个内存单元的大小取一个字节一个比特位可以存储一个2进制的位1或者0，那么一个内存单元可以放8个比特位，每个内存单元都有一个编号，有了内存单元的编号，cpu就可以快速找到一个内存空间。
这个编号也称为地址，c语言中给地址称为指针，也就是说
内存单元的编号＝＝地址＝＝指针
在这里插入图片描述

1.2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。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

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。
硬件与硬件之间的通信用＂线＂连起来，cpu和内存之间也是由大量的数据交互，两者必须也用线连起来
在这里插入图片描述

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，以此类推，32根地址线就能表示2^32种含义，每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，将数据再通过数据总线传入cpu内寄存器

2.指针变量和地址

2.1取地址操作符(&)

在c语言中创建变量其实就是向内存申请空间

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 10;
	//0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010
	// 0x 00 00 00 0a
	//变量创建的本质是：在内存上开辟空间
	//要向内存申请四个字节的空间，存放数据10
	//&a;//取地址
	printf("%p\n", &a);
	// 对于a来说，拿到的是a所占四个字节的第一个字节的地址，
	// 也就是地址较小的那个
	int* ptr = &a;//ptr指针变量，存放指针变量
	//编号=地址=指针
	return 0;
}

在这里插入图片描述

解释:
上面的代码创建了整型变量a, 内存中申请4个字节，用于存放整数10，每个字节都有地址

0x012FFB10
0x012FFB11
0x012FFB12
0x012FFB13

#include <stdio.h>
int main()
{
 int a = 10;
 &a;//取出a的地址
 printf("%p\n", &a);
 return 0;
}

解释:
&a就是取出a所占四个字节中地址较小的字节地址

  • 注:只要知道了第一个字节地址 那么4个字节的地址也可以得到

2.2指针变量和解引用操作符(*)

2.2.1指针变量

取地址操作符(&)可以取出地址(0x006FFD70), 那么这个数值取出来存在哪里?这时候就需要指针变量来存储

int main()
{
	int a = 10;
	int * p = &a;
	printf("%d\n", a);
	*p=0;// * 解引用操作符，间接访问操作符
	//*p   通过p中存放的地址， 找到地址指向的空间，*p就是a
	printf("%d\n", a);
	return 0;
}

指针变量 也是一种变量，用于存放地址

2.2.2如何拆解指针类型

int a = 10;
int * pa = &a;

上面pa的类型是int*，其中*是在说明pa是指针变量，前面的int表示pa指向的是整型类型的对象
在这里插入图片描述
同理，如果有一个char类型的变量ch，ch的地址可以这样存放

2.2.3解引用操作符

c语言中，拿到地址(指针)，可以通过地址(指针)找到地址(指针)所指向的对象，那要使用该对象，就要通过解引用操作符(*)

#include <stdio.h>
int main()
{
 int a = 100;
 int* pa = &a;
 *pa = 0;
 return 0;
}

解释:
上面代码中的*pa就是通过pa中存放的地址，找到指向的空间，*pa＝0，就把a改成了0

2.3指针变量的大小

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是1或0，如果把32根地址线产生的2进制序列当做一个地址，一个地址就是32个比特位，需要4个字节存储
指针变量是用来存储地址的 ，所以指针变量的大小就是4个字节，如果是64位机器，指针变量的大小就是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(long*));
	printf("%zd\n", sizeof(float*));
	printf("%zd\n", sizeof(double*));
	return 0;
}

可以得出以下结论

  • 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个比特位，指针变量大小是8个字节
  • 指针变量的大小和类型无关，只要在相同的平台下，大小都是相同的

3.指针变量类型的意义

3.1指针的解引用

//1
int main()
{
	int n = 0x11223344;
	int* p = &n;
	*p = 0;
	return 0;
}

在这里插入图片描述

//2
int main()
{
	int n = 0x11223344;
	char* p = &n;
	*p = 0;
	return 0;
}

在这里插入图片描述

解释:可以看到，代码1将n的4个字节改为0，而代码2则是将n的第一个字节改为0
结论:指针的类型决定了，对指针解引用的权限大小(即可操作几个字节)

3.2指针±整数

int main()
{
	int n = 0x11223344;
	int* p = &n;
	char* pc= &n;

	printf("p=%p\n", p);
	printf("p+1=%p\n", p + 1);

	printf("pc=%p\n", pc);
	printf("pc+1=%p\n", pc + 1);
	return 0;
}

在这里插入图片描述

结论:可以看到char类型的指针变量+1跳过一个字节，int类型的指针变量+1跳过四个字节，即指针的类型决定了指针向前或向后的距离

4.const修饰指针

4.1const修饰变量和指针变量

变量是可以修改的，如果把变量的地址给指针变量，就可以通过指针变量修改这个变量，但是随意的修改有时是不安全的，所以这是需要const进行限制

#include <stdio.h>
int main()
{
 const int n = 0;
 printf("n = %d\n", n);
 int*p = &n;
 *p = 20;
 printf("n = %d\n", n);
 return 0;
}

在这里插入图片描述
解释:代码中的n本来是变量，被comst修饰后，就不能再对n进行修改
但如果使用指针变量存放n的地址，通过对指针变量的修改就可以修改n的值，所以这与前面产生冲突，这时对指针变量进行const修饰就可以实现不能修改

int main()
{
	const int n = 100;
	//n = 20;

	const int* const p = &n;
	*p = 20;


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

结论:

  • const放在*的左边，修饰的是指针的指向内容，意味着，指针的内容不能被修改，指针变量本身可修改
  • const放在*右边，修饰的是指针变量本身，意味着指针变量本身内容不能被修改

5.指针运算

指针有三种基本运算

  • 指针±整数
  • 指针-指针
  • 指针的关系运算

5.1指针±整数

数组在内存中是连续存放的，知道首元素地址，我们就可以访问整个数组
在这里插入图片描述

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

	return 0;
}

解释:其中p存放的是首元素的地址，p+i是第i个元素的地址，(p+i)是第i个元素，可以得到(p+i)＝＝arr[i]

5. 2指针-指针

//指针-指针
#include <stdio.h>
int my_strlen(char *s)
{
 char *p = s;
 while(*p != '\0' )
 p++;
 return p-s;
}
int main()
{
 printf("%d\n", my_strlen("abc"));
 return 0;
}

解释:p存放的是s字符串中a的地址，通过while循环，遍历到＂\0＂的前一个字符的地址，也就是循环结束时的p++，p-s得到的是该字符串的元素个数也就是长度，返回p-s就可以得到字符串s的长度，就也是可以通过这种方式模拟实现strlen函数的功能

5.3指针的关系运算

//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 i = 0;
 int sz = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);
 while(p<arr+sz) //指针的⼤⼩⽐较
 {
 printf("%d ", *p);
 p++;
 }
 return 0;
}

解释:p存放的是数组首元素的地址，sz是数组元素的个数，p<arr+sz表示p小于最后一个元素的地址，当这个循环条件满足时，循环打印数组的内容，打印完一次通过p++向后面位置移动，实现数组的打印

6.野指针

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

#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;
}

2.指针越界访问

#include <stdio.h>
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;
}

3.指针指向的空间释放

6.2如何规避野指针

6.2.1指针初始化

当明确知道指针指向直接赋值地址，不明确的时候，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，地址也是0，这个地址无法使用，读写该地址会报错

#include <stdio.h>
int main()
{
 int num = 10;
 int*p1 = &num;
 int*p2 = NULL;
 
 return 0;
}

6.2.2小心指针越界

一个程序申请了多少空间，通过指针就只能访问该空间，不能超出该范围进行访问，超出就是越界访问

6.2.3指针变量不再使用时，即时置为NULL，指针使用前检查有效性

当指针变量指向一块区域的时候，可以通过指针访问该区域，后期不使用这个指针访问该区域时，可以将指针置为NULL，因为有个规则:只要是NULL指针就不去访问，同时在使用指针之前可以判断指针是否为NULL, 如果使用野指针，会很危险
代码

6.2.4避免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

assert()宏接受一个表达式作为参数，如果该表达为真(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0)，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()的使用的好处:不仅能自动表示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，不需要做断言，就在＃include<assert. h>语句前面，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，可以移动除这条指令或者注释掉，再次编译，这样就重新启用了assert()语句

assert()缺点是，因为引入了额外的检查，增加了程序的运行时间，一般在debug版本使用，release版本禁用。

8.指针的使用和传址调用

8.1传址调用

写一个函数，交换两个整型的值

#include <stdio.h>
void Swap1(int x, int y)
{
 int tmp = x;
 x = y;
 y = tmp;
}
int main()
{
 int a = 0;
 int b = 0;
 scanf("%d %d", &a, &b);
 printf("交换前：a=%d b=%d\n", a, b);
 Swap1(a, b);
 printf("交换后：a=%d b=%d\n", a, b);
 return 0;
}

在这里插入图片描述
这里发现，并没有成功交换两个值，因为Swap1函数只是把a, b,的值传了过去，函数中形参接收值，但x, y和a, b的地址并不一样，而是有自己的独立空间，当函数内部交换完后，就不会影响a, b，所以并没有成功交换，这就是传值调用

结论:实参传递给形参时，形参会单独创建一份临时空间接受实参，对形参的修改并不影响实参

当我们把a, b的地址传过去，就可以在函数内部间接操作a, b，进而完成交换

#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：a=%d b=%d\n", a, b);
 Swap1(&a, &b);
 printf("交换后：a=%d b=%d\n", a, b);
 return 0;
}

在这里插入图片描述

解释:调用Swap2函数时，将变量的地址传递给函数，这就是传址调用

8.2 strlen的模拟实现

//计数器⽅式
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;
}

解释:将str的地址传过去，my_strlen函数就可以拿到字符串的首地址，当该位置的内容不为＂\0＂进入循环，每次进入使计数+1，str的位置向后走，这样就可以模拟实现strlen函数的功能

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