C++：征服C指针：指针(一)

news2024/11/26 8:40:59

关于指针

  • 1.看一个简单的程序，来接触下指针
  • 2. 常见疑问：指针就是地址，那么int的指针和double的指针有什么区别 了
  • 3. 常见疑问：指针运算
  • 4. 为什么存在奇怪的指针运算符
  • 5. 试图将数组作为函数的参数进行传递。
  • 6. 什么是空指针
    • 5.1 声明函数形参的方法
  • 6. 指向函数的指针
  • 7. 什么是指向数组的指针
    • 7.1 将数组类型解读成指针
  • 8. const 修饰指针（常量指针/指针常量）
  • 9. typedef 给指针定义别名
  • 10. 指针和字符串常量
  • 11. 关于指向函数指针引起的混乱
  • 附录：代码示例

本章节，我们重点分析C指针，首先我们从指针的概念谈起
💚💚💚

  1. 指针是一种保存变量地址的变量，并在C中频繁使用
  2. 在C语言标准中：最初出现指针，也有这样一段话
    🧡指针类型（pointer type）可由：函数类型，对象类型或不完全的类型派生，派生指针类型的类型称为引用类型。
    🧡指针类型，描述一个对象，该类对象的值提供对该引用类型实体的引用。由引用类型T 派生的指针类型有时称为 “指向T的指针”
    从引用类型构造指针类型的过程称为“指针类型的派生”。
    🧡 如由 int 类型派生的指针，称为 “指向int 类型的指针”。

下面，我们对指针的研究，主要从如下几个方面展开。
3. 指针类型
4. 指针类型变量
5. 指针类型的值（即内存地址）

1.看一个简单的程序，来接触下指针

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
	int hoge = 5;
	int piyo = 10;
	int* hoge_p;
	
	// 输出每个变量的地址
	printf("&hoge...%p\n",&hoge);
	printf("&piyo...%p\n",&piyo);
	printf("&hoge_p...%p\n",&hoge_p);
	
	// 将 hoge的内存地址赋值给 hoge_p
	hoge_p = &hoge;
	// 打印指针变量的值
	printf("hoge_p...%p\n",hoge_p);
	
	// 通过hoge_p输出 hoge的内容
	printf("*hoge_p...%d\n",*hoge_p);
	
	// 通过 hoge_p修改 hoge的内容
	*hoge_p = 10;
	printf("*hoge...%d\n",hoge);
	return 0;
}

// 打印内容
&hoge...000000000061fe1c
&piyo...000000000061fe18
&hoge_p...000000000061fe10

hoge_p...000000000061fe1c
*hoge_p...5
*hoge...10

我们用一个图来说明下。
在这里插入图片描述

  1. 指针变量 hoge_p保存了另外一个变量 hoge地址，我们认为 “hoge_p” 指向 “hoge”。
  2. 对 hoge变量实施 &运算符得到 “hoge地址” 。 有时也称："hoge的地址"的为 “指向 hoge的指针” （实际上这里的指针指：指针类型的值）
  3. 在 指针前面加上 * 可以表示指针指向的变量。（hoge_p 指向hoge）, 所以 , *hoge_p 等同于 hoge , 那么一旦要求输出 *hoge_p 就会输出 hoge保存的值 。

🧡🧡🧡 要点

  1. 对变量使用 & 运算符，可以取得该变量的地址。 这个地址称为指向 该变量的指针。
  2. 指针变量 hoge_p 保存了指向其他变量的地址情况下（如保存 hoge 地址）可以说 “hoge_p 指向 hoge” 。
  3. 对指针变量运算 *运算符，就等同于它指向的变量。（如 hoge_p指向 hoge, *hoge_p就等同于 hoge）。

2. 常见疑问：指针就是地址，那么int的指针和double的指针有什么区别 了

  1. 如果从指针变量的角度说，指向这两个类型的指针没有区别，都保持相同的表现形式，与指针类型无关。
    💚（尽管C标准没有规定所有数据类型的长度，但通常是这样一种情况：整数类型指针长度是一样的， char 类型指针和 结构体指针 长度一致，函数指针长度与数据指针长度不同）
    💚 指针长度取决于使用的机器和编译器，通常在 现代 windows上，指针是32 位或64位长，对于DOS来说是 16位长。
  2. 从指针运算的角度来说，就需要关注指针类型了
    💚（如：对指针加 N 即 ：指针前进 “当前指针指向的数据类型的长度 * N”）
  3. 指向任何类型的指针类型 ------ void* 类型
void test_voidPointer()
{
	int hoge = 5;
	void* hoge_p;
	// void 类型指针保存 hoge内存地址，这个是没问题的
	hoge_p = &hoge;
	
	// 但是由于编译器并不知道 hoge_p 指针类型，仅仅知道内存地址，不知道保存数据的类型，这样是不能取值的。
	printf("%d", *hoge_p);  // error ：'void*' is not a pointer-to-object type
}

💚💚💚 改正

void test_pointer_02()
{
	int hoge = 5;
	void* hoge_p;
	// void 类型指针保存 hoge内存地址，这个是没问题的
	hoge_p = &hoge;
	
	// 将指针强制转换成 指向 int 类型指针，这样编译器就指针取出来的是 int 类型的值
	printf(" %d",*(int*)hoge_p);  // 打印5
}

3. 常见疑问：指针运算

  1. C指针运算是其他语言没有的
  2. 指针运算是针对指针进行整数加减运算
// 指针的运算
void test_pointer_03(){
	int hoge;
	int *hoge_p;
	// 将指向 hoge的指针赋予 hoge_p
	hoge_p = &hoge;
	// 输出 hoge_p的值
	printf("hoge_p...%p\n",hoge_p);
	// 给 hoge_p 加1
	hoge_p++;
	// 输出 hoge_p 的值
	printf("hoge_p...%p\n",hoge_p);
	// 输出 hoge_p后 加3 的值
	printf("hoge_p....%p\n",hoge_p +3);
}
// 打印结果
hoge_p...000000000061fde4
hoge_p...000000000061fde8
hoge_p....000000000061fdf4

🧡从上面的打印可知：指针加1 ，前进的字节是4个。这个结论和简单，也很直观。但是，我想通过：指针和数组的关系来证明下这个结论。请看下面示例

// 指针和数组之间关系
void test_pointer_04()
{
	int array[5];
	int *p;
	int i;
	// 给数组 array 的各元素设定值
	for(i=0; i<5;i++)
	{
		array[i] = i;
	}
	// 输出数组各元素的值（指针版本）
	for(p = &array[0]; p != &array[5]; p++)
	{
		printf("%d\n",*p);
	}
}

// 打印结果
0
1
2
3
4

在这里插入图片描述
💚💚💚

4. 为什么存在奇怪的指针运算符

在第三章节中，我们知道访问数组的内容，老老实实用下标就可以了，为什么C语言需要存在指针运算符这样奇怪的功能了 ？

  1. C继承了 早期的 B 语言影响
  2. 使用指针运算可以写出高效的程序。
    在这里插入图片描述
    ▲●通过角标的方式访问数组，array[i] 在循环中会出现多次，每次都要进行相当于 *(array + i) 的加法运算，效率自然是比较低的
    ▲●但是通过 p+i 的方式，加法运算只有在循环结束的时候执行一次。

💚 如今，编译器在不断被优化，对于循环内部重复的表达式会集中处理，是编译器优化的基本内容，对于现在一般的C编译器，无论你使用的数组角标还是指针来访问 数组元素，效率上都不会出现明显的差距，基本删都是输出完整的机器码。

5. 试图将数组作为函数的参数进行传递。

从上几章节我们知道：
**💚 数组 buf[ ] 可以解读成 ：

  1. 指向它的初始元素的指针
  2. *buf[ len] 是 （buf + len） 的语法糖
    下面，我们来看一个实用性的例子：从英文的文本中将单词 一个一个取出来 。
// 试图将数组作为函数参数来传递
void test_pointer_05(char* buf, int buf_size)
{
	
	
}
int main()
{
    char buf[256];
	test_pointer_05(buf,256);
	return 0;
}

6. 什么是空指针

💚 空指针是一个特殊的值

  1. 空指针是指可以确保没有指向任何一个对象的指针，通常使用 宏定义 NULL 来表示空指针常量值
  2. 空指针确保它和任何非空指针进行比较都不会相等，因此经常作为函数发生异常时的返回值使用
  3. 在现今的操作系统下，应用程序一旦视图通过空指针引用对象，就会马上招致一个异常并且当前应用程序会被操作系统强制终止

💚 常量0 和 NULL 的关系 。
4. 在C中，在为0的地址上，是不能保存数据的，放什么都不能起作用。所以标准运行 将 NULL 定义成 ( void*)0

int* p = 3; // error ：invalid conversion from ‘int’ to ‘int*’
这是因为：编译器会认为 3 是int 类型，但是 p 指针 int* 指针类型，int类型和 指针类型肯定是有区别的

int* p1 = 0; // OK
std::cout <<*p1; // Segmentation fault
这是因为编译器根据上下文 “将常量0应该作为指针使用” ， 这个时候编译是可以通过的，但是在运行时，获取指针类型保存的地址指向的值 是无效的，所以会出现 Segmentation fault

5.1 声明函数形参的方法

6. 指向函数的指针

函数在表达式中被解读成 “指向函数的指针” ， 它本质上也是指针(地址) ，所以可以将它赋给指针型变量 。

下面我们用一个图分析下，指向函数的 指针和 指向函数的指针的数组。

在这里插入图片描述

7. 什么是指向数组的指针

  1. “数组”和“指针”都是派生类型，他们都是由基本类型开始重复派生生成的。也就是说派生出“数组”后，再派生出“指针”，就可以生成“指向数组的指针”。
  2. 我们需要区分：指向数组的指针和 指针数组初始元素的指针
// 指向数组的指针
void test_pointer_06()
{
	// array_p 是指向int 数组（元素个数为3个）的指针
	int (*array_p)[3]; 
	// p_array 是指向数组初始元素的指针
	int array[4];
	int *p_array = &array[0];
}

7.1 将数组类型解读成指针

💚 单目运算符& 被称为地址运算符 ： &将一个左值作为操作数，返回指向该左值的指针
💚 单目运算符* 被称为解引用：将指针作为操作数，返回指针所指向的对象或函数。
💚 ->运算符：此运算符没有明确的定义，但可以将其称为“箭头运算符”，通过指针访问结构体成员时候，就会使用 ->运算符
💚 [ ] 下标运算符：在C语言中，遇导下标运算符[ ] 可以将元素个数省略不写，但是不同 编译器针对不同的情况，有不同的解释。

void test(){
	int hoge[10]{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}; // 这是一个数组
	// & 运算符
	int *p = &hoge[0]; // 将数组解读成指针
	// * 运算符
	int hoge_first = *p;  // 将指针解读成数组的值
	cout << hoge_first;  // 1
	
	// [] 小标运算符
	int hoge_second = hoge[1];
	int hoge_third = *(p+2);
	cout << "\n" << hoge_second;
	cout << "\n" << hoge_third;
	
	// ->运算符
	hoge_struct* hogeStru_p = &hogeStru;
	cout<< "\n"<< hogeStru_p->hoge;
	cout<< "\n"<< (*hogeStru_p).hoge;
}
int main()
{
	test();
	return 1;
}

💚下标运算符使用场景
在这里插入图片描述

8. const 修饰指针（常量指针/指针常量）

9. typedef 给指针定义别名

10. 指针和字符串常量

💚 使用 " " 包围起来的字符串被称为 字符串常量，字符串常量的类型是 " char的数组"，因此在表达式中，可以被解读为指针 。

// 声明一个： 指向 char 类型的指针 str
char *str;
// 将 [指向 “abc” 的初始化元素的指针] 赋值给 str
str = "abc";

// note :  针对 字符串常量“abc” ,编译器事实上会将字符分开处理 即：
"abc" -----》 {'a','b','c','\0'}

11. 关于指向函数指针引起的混乱

💚

附录：代码示例

/**
	1: 指针： 指针类型，指针变量，指针变量的值
	2：指针就是存储的内存地址的
	3：将内存分区和指针结合起来
	4：void 指针，NULL指针
*/


#include<iostream>
using namespace std;

// 指针的基本操作:定义和概念
void test_pointer_01()
{
	
	int hoge = 5;
	int piyo = 10;
	int* hoge_p;
	
	// 输出每个变量的地址
	printf("&hoge...%p\n",&hoge);
	printf("&piyo...%p\n",&piyo);
	printf("&hoge_p...%p\n",&hoge_p);
	
	// 将 hoge的内存地址赋值给 hoge_p
	hoge_p = &hoge;
	// 打印指针变量的值
	printf("hoge_p...%p\n",hoge_p);
	
	// 通过hoge_p输出 hoge的内容
	printf("*hoge_p...%d\n",*hoge_p);
	
	// 通过 hoge_p修改 hoge的内容
	*hoge_p = 10;
	printf("*hoge...%d\n",hoge);
}

// 指针的转换
void test_pointer_02()
{
	int hoge = 5;
	void* hoge_p;
	// void 类型指针保存 hoge内存地址，这个是没问题的
	hoge_p = &hoge;
	
	// 但是由于编译器并不知道 hoge_p 指针类型，仅仅知道内存地址，不知道保存数据的类型，这样是不能取值的。
	// printf("%d",*hoge_p);  // error ：invalid operands of types 'const char [4]' and 'void*' to binary 'operator*'
	
	// 将指针强制转换成 指向 int 类型指针
	printf(" %d",*(int*)hoge_p);  // 打印5
}

int main()
{
	test_pointer_02();
	return 0;
}

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