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