第3章“程序的机器级表示”：理解指针

news2024/11/16 3:52:15

指针是 C 语言的一个重要特色。它们提供一种统一方式，能够远程访问数据结构。

指针基本的概念其实非常简单，下面的代码说明了许多这样的概念：

struct str { /* Example Structure */
	int t;
	char v;
};

union uni { /* Example Union */
	int t;
	char v;
} u;

int g = 15;

void fun(int *xp)
{
	void (*f)(int*) = fun; /* f is a function pointer */
	
	/* Allocate structure on stack */
	struct str s= {1, 'a'}; /* Initialize structure */

	/* Allocate union from heap */
	union uni *up = (union uni *) malloc(sizeof(union uni));
	
	/* Locally declared array */
	int *ip[2] = {xp, &g};

	up->v = s.v + 1;
	
	printf("ip = %p, *ip = %p, **ip = %d\n", 
			ip, *ip, **ip);
	printf("ip+1 = %p, ip[1] = %p, *ip[1] = %d\n", 
			ip+1, ip[1], *ip[1]);
	printf("&s.v = %p, s.v = '%c'\n", &s.v, s.v);
	prinf("&up->v = %p, up->v = '%c'\n", &up->v, up->v);
	printf("f = %p\n", f);
	if (--(*xp) > 0) 
		f(xp); /* Recursive call of fun */
}

int test()
{
	int x = 2;
	fun(&x);
	return x;
}

每个指针都有一个类型。这个类型表明指针指向的对象是哪一类的。示例代码中，看到如下的一些指针类型：

注意，该表中，既指明了指针本身的类型，也指出了它所指向的对象的类型。通常，如果对象类型为 $T$ ，则指针的类型为 $T *$ 。特殊的 void * 类型代表通用指针。例如，malloc 函数返回一个通用指针，然后它再被强制类型转换成一个有类型的指针（第21行）。
每个指针都有一个值。这个值是某个指定类型的对象的地址。特殊的 NULL（0）值表示该指针没有指向任何地方。
指针是用 & 运算符创建的。这个运算符可应用到任何 lvalue 类的 C 表达式上，即可以出现在赋值语句左边的表达式，这样的例子包括变量以及结构、联合和数组的元素。示例代码中，看到这个操作符应用到全局变量 g 上（第24行），应用到结构元素 s.v 上（第32行），应用到联合元素 up->v 上（第33行），以及应用到局部变量 x 上（第42行）。
* 操作符用于指针的间接引用。其结果是一个值，它的类型与该指针的类型相关。看到间接引用应用到 ip 和 *ip 上（第 29 行），应用到 ip[1] 上（第31行），以及应用到 xp 上（第 35 行）。此外，表达式 up->v（第 33 行）既间接引用了指针 up，同时还选取了域 v。
数组与指针是紧密联系的。可以引用一个数组的名字（但是不能修改），就好像它是一个指针变量一样。数组引用（如 a[3]）与指针运算和间接引用（如 *(a+3)）有一样的效果。可以在 29 行看到这一点，打印出数组 ip 的指针值，并用 *ip 引用它的第一项（元素0）。
指针也可以指向函数。这提供了一个很强大的存储（storing）和传递代码引用的功能，这些代码可以被程序的某个其他部分调用。看看变量 f （第 15 行），它被声明为一个指向函数的变量，该函数以一个 int * 作为参数，并返回 void。赋值语句使 f 指向 fun。在后面使用 f（第 36 行）时，是在进行递归调用。

函数指针

函数指针声明的语法对于程序员新手是难以理解的。对于这样一个声明：
void (*f)(int *);
要从里（从 “f” 开始）往外读。因此，看到像 “(*f)” 表明的那样，f 是一个指针。像 “(*f)(int *)” 表明的那样，它是一个指针，指向一个以一个 int * 作为参数的函数。最后，它是一个指向一个以 int * 作为参数并返回 void 的函数的指针。

*f 两边的括号是必须的，因为否则声明
void *f(int *);
就要读成
(void *) f(int *);
也就是，它会被解释成一个函数原型，声明了一个函数f，它以一个 int * 作为参数并返回一个 void *。

代码中包含很多对 prinf 的调用，打印出一些指针（用指令 %p）和值。在执行时，产生下面这样的输出：

在这里插入图片描述
可以看到，这个函数执行了两次——第一次是从 test 中直接调用（第 42 行），而第二次是间接的递归调用（第 36 行）。可以看出，打印出来的指针值都对应于地址。那些从 0xbfffef 开始的指针指向栈中的位置，而其他的是全局存储的一部分（0x804965c），或是可执行代码的一部分（0x8048414），或是堆中的位置（0x8049760 和 0x8049770）。

数组ip 被初始化了两次——每次调用 fun 都初始化一次。第二次的值（0xbfffef68）小于第一次的值（0xbfffefa8），这是因为栈是向下增长的。不过，数组的内容两次都是一样的。数组元素 0（*ip） 是一个指向 test 栈帧中变量 $x$ 的指针，元素 1 是一个指向全局变量 $g$ 的指针。

可以看到，结构 $s$ 也被初始化了两次，两次都是在栈中，而变量 up 指向的联合是在堆中分配的。

最后，变量 $f$ 是一个指向函数 fun 的指针。在反汇编代码中，看到如下 fun 的初始化代码：

在这里插入图片描述
打印出来的指针 $f$ 的值 0x8048414 就是 fun 的代码中第一条指令的地址。

向函数传递参数

其他语言（如Pascal）提供两种方式来向过程传递参数——传值（by value）和引用（by reference）。

传值是指调用者提供实际的参数值，而引用是指调用者提供一个指向该值的指针。

在 C 中，所有的参数都是传值的，但是可以通过显式地产生一个指向一个值的指针，并把该指针传递给过程，从而实现了引用参数的效果。函数 fun(&x) 中的参数 xp 就是这样的。第一次调用 fuc(&x) 时（第 42 行），给了一个函数对 test 中局部变量 $x$ 的引用。每次调用 fun 时，这个变量都会减小，从而在两次调用之后，递归会停止。