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[導(dǎo)讀]指針對(duì)于C來(lái)說(shuō)太重要。然而,想要全面理解指針,除了要對(duì)C語(yǔ)言有熟練的掌握外,還要有計(jì)算機(jī)硬件以及操作系統(tǒng)等方方面面的基本知識(shí)。所以本文盡可能的通過(guò)一篇文章完全講解指針。

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指針對(duì)于C來(lái)說(shuō)太重要。然而,想要全面理解指針,除了要對(duì)C語(yǔ)言有熟練的掌握外,還要有計(jì)算機(jī)硬件以及操作系統(tǒng)等方方面面的基本知識(shí)。所以本文盡可能的通過(guò)一篇文章完全講解指針。


為什么需要指針?



指針解決了一些編程中基本的問(wèn)題。

指針的使用使得不同區(qū)域的代碼可以輕易的共享內(nèi)存數(shù)據(jù)。當(dāng)然小伙伴們也可以通過(guò)數(shù)據(jù)的復(fù)制達(dá)到相同的效果,但是這樣往往效率不太好。

因?yàn)橹T如結(jié)構(gòu)體等大型數(shù)據(jù),占用的字節(jié)數(shù)多,復(fù)制很消耗性能。

但使用指針就可以很好的避免這個(gè)問(wèn)題,因?yàn)槿魏晤愋偷闹羔樥加玫淖止?jié)數(shù)都是一樣的(根據(jù)平臺(tái)不同,有4字節(jié)或者8字節(jié)或者其他可能)。

指針使得一些復(fù)雜的鏈接性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建成為可能,比如鏈表,鏈?zhǔn)蕉鏄?shù)等等。

有些操作必須使用指針。如操作申請(qǐng)的堆內(nèi)存。

還有:C語(yǔ)言中的一切函數(shù)調(diào)用中,值傳遞都是“按值傳遞”的。

如果我們要在函數(shù)中修改被傳遞過(guò)來(lái)的對(duì)象,就必須通過(guò)這個(gè)對(duì)象的指針來(lái)完成。



計(jì)算機(jī)是如何從內(nèi)存中進(jìn)行取指的?

計(jì)算機(jī)的總線可以分為3種:數(shù)據(jù)總線,地址總線和控制總線。這里不對(duì)控制總線進(jìn)行描述。數(shù)據(jù)總線用于進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳送。數(shù)據(jù)總線的位數(shù)一般與CPU的字長(zhǎng)一致。

一般而言,數(shù)據(jù)總線的位數(shù)跟當(dāng)前機(jī)器int值的長(zhǎng)度相等。例如在16位機(jī)器上,int的長(zhǎng)度是16bit,32位機(jī)器則是32bit。這個(gè)計(jì)算機(jī)一條指令最多能夠讀取或者存取的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。大于這個(gè)值,計(jì)算機(jī)將進(jìn)行多次訪問(wèn)。這也就是我們說(shuō)的64位機(jī)器進(jìn)行64位數(shù)據(jù)運(yùn)算的效率比32位要高的原因,因?yàn)?2位機(jī)要進(jìn)行兩次取指和運(yùn)行,而64位機(jī)卻只需要一次!

地址總線專門(mén)用于尋址,CPU通過(guò)該地址進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問(wèn),然后把處于該地址處的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線進(jìn)行傳送,傳送的長(zhǎng)度就是數(shù)據(jù)總線的位數(shù)。地址總線的位數(shù)決定了CPU可直接尋址的內(nèi)存空間大小,比如CPU總線長(zhǎng)32位,其最大的直接尋址空間長(zhǎng)232KB,也就是4G。

這也就是我們常說(shuō)的32位CPU最大支持的內(nèi)存上限為4G(當(dāng)然,實(shí)際上支持不到這個(gè)值,因?yàn)橐徊糠謱ぶ房臻g會(huì)被映射到外部的一些IO設(shè)備和虛擬內(nèi)存上。現(xiàn)在通過(guò)一些新的技術(shù),可以使32位機(jī)支持4G以上內(nèi)存,但這個(gè)不在這里的討論范圍內(nèi))。

一般而言,計(jì)算機(jī)的地址總線和數(shù)據(jù)總線的寬度是一樣的,我們說(shuō)32位的CPU,數(shù)據(jù)總線和地址總線的寬度都是32位。

計(jì)算機(jī)訪問(wèn)某個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)候,首先要通過(guò)地址總線傳送數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或者讀取的位置,然后在通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳送需要存儲(chǔ)或者讀取的數(shù)據(jù)。一般地,int整型的位數(shù)等于數(shù)據(jù)總線的寬度,指針的位數(shù)等于地址總線的寬度。
?
計(jì)算機(jī)的基本訪問(wèn)單元
?
學(xué)過(guò)C語(yǔ)言的人都知道,C語(yǔ)言的基本數(shù)據(jù)類型中,就屬char的位數(shù)最小,是8位。我們可以認(rèn)為計(jì)算機(jī)以8位,即1個(gè)字節(jié)為基本訪問(wèn)單元。小于一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù),必須通過(guò)位操作來(lái)進(jìn)行訪問(wèn)。
?
內(nèi)存訪問(wèn)方式

如圖1所示,計(jì)算機(jī)在進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)的時(shí)候,是以字節(jié)為基本單元進(jìn)行訪問(wèn)的,所以可以認(rèn)為,計(jì)算每次都是從第p個(gè)字節(jié)開(kāi)始訪問(wèn)的。訪問(wèn)的長(zhǎng)度將由編譯器根據(jù)實(shí)際類型進(jìn)行計(jì)算,這在后面將會(huì)進(jìn)行講述。
?
內(nèi)存訪問(wèn)方式
?
想要了解更多,就去翻閱計(jì)算機(jī)組成原理和編譯原理吧。
?
sizeof關(guān)鍵字

sizeof關(guān)鍵字是編譯器用來(lái)計(jì)算某些類型的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度的,以字節(jié)為基本單位。例如:

    
sizeof(char)=1; sizeof(int)=4;

sizeof(Type)的值是在編譯的時(shí)候就計(jì)算出來(lái)了的,可以認(rèn)為這是一個(gè)常量!

指針是什么?

我們知道:C語(yǔ)言中的數(shù)組是指一類類型,數(shù)組具體區(qū)分為 ?int 類型數(shù)組,double類型數(shù)組,char數(shù)組 等等。

同樣指針這個(gè)概念也泛指一類數(shù)據(jù)類型,int指針類型,double指針類型,char指針類型等等。

通常,我們用int類型保存一些整型的數(shù)據(jù),如 int num = 97 , 我們也會(huì)用char來(lái)存儲(chǔ)字符:char ch = 'a'。

我們也必須知道:任何程序數(shù)據(jù)載入內(nèi)存后,在內(nèi)存都有他們的地址,這就是指針。

而為了保存一個(gè)數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的地址,我們就需要指針變量。

因此:指針是程序數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的地址,而指針變量是用來(lái)保存這些地址的變量。

?

在我個(gè)人的理解中,可以將指針理解成int整型,只不過(guò)它存放的數(shù)據(jù)是內(nèi)存地址,而不是普通數(shù)據(jù),我們通過(guò)這個(gè)地址值進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問(wèn),假設(shè)它的是p,意思就是該數(shù)據(jù)存放位置為內(nèi)存的第p個(gè)字節(jié)。

當(dāng)然,我們不能像對(duì)int類型的數(shù)據(jù)那樣進(jìn)行各種加減乘除操作,這是編譯器不允許的,因?yàn)檫@樣錯(cuò)是非常危險(xiǎn)的!

圖2就是對(duì)指針的描述,指針的值是數(shù)據(jù)存放地址,因此,我們說(shuō),指針指向數(shù)據(jù)的存放位置。
?



指針的長(zhǎng)度

我們使用這樣的方式來(lái)定義一個(gè)指針:

    
Type *p;

我們說(shuō)p是指向type類型的指針,type可以是任意類型,除了可以是char,short, int, long等基本類型外,還可以是指針類型,例如int *, int **, 或者更多級(jí)的指針,也可是是結(jié)構(gòu)體,類或者函數(shù)等。于是,我們說(shuō):

int * 是指向int類型的指針;
int **,也即(int *) *,是指向int *類型的指針,也就是指向指針的指針;
int ***,也即(int **) *,是指向int**類型的指針,也就是指向指針的指針的指針;
…我想你應(yīng)該懂了

struct xxx *,是指向struct xxx類型的指針;

其實(shí),說(shuō)這么多,只是希望大家在看到指針的時(shí)候,不要被int ***這樣的東西嚇到,就像前面說(shuō)的,指針就是指向某種類型的指針,我們只看最后一個(gè)*號(hào),前面的只不過(guò)是type類型罷了。

細(xì)心一點(diǎn)的人應(yīng)該發(fā)現(xiàn)了,在“什么是指針”這一小節(jié)當(dāng)中,已經(jīng)表明了:指針的長(zhǎng)度跟CPU的位數(shù)相等,大部分的CPU是32位的,因此我們說(shuō),指針的長(zhǎng)度是32bit,也就是4個(gè)字節(jié)!注意:任意指針的長(zhǎng)度都是4個(gè)字節(jié),不管是什么指針?。ó?dāng)然64位機(jī)自己去測(cè)一下,應(yīng)該是8個(gè)字節(jié)吧。。。)

?于是:

    
Type *p;

izeof(p)的值是4,Type可以是任意類型,char,int, long, struct, class, int **…

以后大家看到什么sizeof(char*), sizeof(int *),sizeof(xxx *),不要理會(huì),統(tǒng)統(tǒng)寫(xiě)4,只要是指針,長(zhǎng)度就是4個(gè)字節(jié),絕對(duì)不要被type類型迷惑!
?

為什么程序中的數(shù)據(jù)會(huì)有自己的地址?

弄清這個(gè)問(wèn)題我們需要從操作系統(tǒng)的角度去認(rèn)知內(nèi)存。

電腦維修師傅眼中的內(nèi)存是這樣的:內(nèi)存在物理上是由一組DRAM芯片組成的。


而作為一個(gè)程序員,我們不需要了解內(nèi)存的物理結(jié)構(gòu),操作系統(tǒng)將RAM等硬件和軟件結(jié)合起來(lái),給程序員提供的一種對(duì)內(nèi)存使用的抽象。

這種抽象機(jī)制使得程序使用的是虛擬存儲(chǔ)器,而不是直接操作和使用真實(shí)存在的物理存儲(chǔ)器。

所有的虛擬地址形成的集合就是虛擬地址空間。


在程序員眼中的內(nèi)存應(yīng)該是下面這樣的。


也就是說(shuō),內(nèi)存是一個(gè)很大的,線性的字節(jié)數(shù)組(平坦尋址)。每一個(gè)字節(jié)都是固定的大小,由8個(gè)二進(jìn)制位組成。

最關(guān)鍵的是,每一個(gè)字節(jié)都有一個(gè)唯一的編號(hào),編號(hào)從0開(kāi)始,一直到最后一個(gè)字節(jié)。

如上圖中,這是一個(gè)256M的內(nèi)存,他一共有256x1024x1024 ?= 268435456個(gè)字節(jié),那么它的地址范圍就是 0 ~268435455 ?。

由于內(nèi)存中的每一個(gè)字節(jié)都有一個(gè)唯一的編號(hào)。

因此,在程序中使用的變量,常量,甚至數(shù)函數(shù)等數(shù)據(jù),當(dāng)他們被載入到內(nèi)存中后,都有自己唯一的一個(gè)編號(hào),這個(gè)編號(hào)就是這個(gè)數(shù)據(jù)的地址。

指針就是這樣形成的。

下面用代碼說(shuō)明


   
     
#include int main(void) { ? ?char ch = 'a'; ? ?int ?num = 97; ? ?printf("ch 的地址:%p ",&ch); ? //ch 的地址:0028FF47 ? ?printf("num的地址:%p ",&num); ?//num的地址:0028FF40 ? ?return 0; }



指針的值實(shí)質(zhì)是內(nèi)存單元(即字節(jié))的編號(hào),所以指針單獨(dú)從數(shù)值上看,也是整數(shù),他們一般用16進(jìn)制表示。

指針的值(虛擬地址值)使用一個(gè)機(jī)器字的大小來(lái)存儲(chǔ)。

也就是說(shuō),對(duì)于一個(gè)機(jī)器字為w位的電腦而言,它的虛擬地址空間是0~2w - 1 ,程序最多能訪問(wèn)2w個(gè)字節(jié)。

這就是為什么xp這種32位系統(tǒng)最大支持4GB內(nèi)存的原因了。

我們可以大致畫(huà)出變量ch和num在內(nèi)存模型中的存儲(chǔ)。(假設(shè) char占1個(gè)字節(jié),int占4字節(jié))
?


變量和內(nèi)存

為了簡(jiǎn)單起見(jiàn),這里就用上面例子中的 ?int num = 97 這個(gè)局部變量來(lái)分析變量在內(nèi)存中的存儲(chǔ)模型。
?

已知:num的類型是int,占用了4個(gè)字節(jié)的內(nèi)存空間,其值是97,地址是0028FF40。我們從以下幾個(gè)方面去分析。

1、內(nèi)存的數(shù)據(jù)

內(nèi)存的數(shù)據(jù)就是變量的值對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制,一切都是二進(jìn)制。

97的二進(jìn)制是 : 00000000 00000000 00000000 0110000 , 但使用的小端模式存儲(chǔ)時(shí),低位數(shù)據(jù)存放在低地址,所以圖中畫(huà)的時(shí)候是倒過(guò)來(lái)的。

2、內(nèi)存數(shù)據(jù)的類型

內(nèi)存的數(shù)據(jù)類型決定了這個(gè)數(shù)據(jù)占用的字節(jié)數(shù),以及計(jì)算機(jī)將如何解釋這些字節(jié)。

num的類型是int,因此將被解釋為 一個(gè)整數(shù)。

3、內(nèi)存數(shù)據(jù)的名稱

內(nèi)存的名稱就是變量名。實(shí)質(zhì)上,內(nèi)存數(shù)據(jù)都是以地址來(lái)標(biāo)識(shí)的,根本沒(méi)有內(nèi)存的名稱這個(gè)說(shuō)法,這只是高級(jí)語(yǔ)言提供的抽象機(jī)制 ,方便我們操作內(nèi)存數(shù)據(jù)。

而且在C語(yǔ)言中,并不是所有的內(nèi)存數(shù)據(jù)都有名稱,例如使用malloc申請(qǐng)的堆內(nèi)存就沒(méi)有。

4、內(nèi)存數(shù)據(jù)的地址

如果一個(gè)類型占用的字節(jié)數(shù)大于1,則其變量的地址就是地址值最小的那個(gè)字節(jié)的地址。

因此num的地址是 0028FF40。內(nèi)存的地址用于標(biāo)識(shí)這個(gè)內(nèi)存塊。

5、內(nèi)存數(shù)據(jù)的生命周期

num是main函數(shù)中的局部變量,因此當(dāng)main函數(shù)被啟動(dòng)時(shí),它被分配于棧內(nèi)存上,當(dāng)main執(zhí)行結(jié)束時(shí),消亡。
?? ?
如果一個(gè)數(shù)據(jù)一直占用著他的內(nèi)存,那么我們就說(shuō)他是“活著的”,如果他占用的內(nèi)存被回收了,則這個(gè)數(shù)據(jù)就“消亡了”。

C語(yǔ)言中的程序數(shù)據(jù)會(huì)按照他們定義的位置,數(shù)據(jù)的種類,修飾的關(guān)鍵字等因素,決定他們的生命周期特性。

實(shí)質(zhì)上我們程序使用的內(nèi)存會(huì)被邏輯上劃分為:棧區(qū),堆區(qū),靜態(tài)數(shù)據(jù)區(qū),方法區(qū)。

不同的區(qū)域的數(shù)據(jù)有不同的生命周期。

無(wú)論以后計(jì)算機(jī)硬件如何發(fā)展,內(nèi)存容量都是有限的,因此清楚理解程序中每一個(gè)程序數(shù)據(jù)的生命周期是非常重要的。



指針運(yùn)算

?N多的面試會(huì)考這種東西了:

    
Type *p; p++;

然后問(wèn)你p的值變化了多少。

其實(shí),也可以認(rèn)為這是在考編譯器的基本知識(shí)。因此p的值并不像表面看到的+1那么簡(jiǎn)單,編譯器實(shí)際上對(duì)p進(jìn)行的是加sizeof(Type)的操作。
?
看一個(gè)一段代碼的測(cè)試結(jié)果:


這里注釋掉char一行的原因是因?yàn)閏out<<(char*)會(huì)被當(dāng)成字符串輸出,而不是char的地址)

執(zhí)行結(jié)果:

? ? ? ?
?觀察結(jié)果,可以看出,他們的增長(zhǎng)結(jié)果分別是:

    
2(sizeof(short)) 4(sizeof(int)) 4(sizeof(long))????????? 8(sizeof(long?long))????????? 4(sizeof(float))????????? 8(sizeof(double))????????? 12(sizeof(long?double))

喏,增加的值是不是sizeof(Type)呢?別的什么struct,class之類的,就不驗(yàn)證你,有興趣的自己去驗(yàn)證。
?
我們?cè)賹?duì)這樣的一段代碼進(jìn)行匯編,查看編譯器是如何進(jìn)行指針的加法操作的:


?匯編結(jié)果:

?? ? ? ? ?
注意看注釋部分的結(jié)果,我們看到,piv的值顯示加了4(sizeof(int)),然后又加了16(4*sizeof(int))。

指針變量和指向關(guān)系

用來(lái)保存指針的變量,就是指針變量。

如果指針變量p1保存了變量 num的地址,則就說(shuō):p1指向了變量num,也可以說(shuō)p1指向了num所在的內(nèi)存塊 ,這種指向關(guān)系,在圖中一般用 箭頭表示。
?

上圖中,指針變量p1指向了num所在的內(nèi)存塊 ,即從地址0028FF40開(kāi)始的4個(gè)byte 的內(nèi)存塊。



定義指針變量

C語(yǔ)言中,定義變量時(shí),在變量名前寫(xiě)一個(gè) * 星號(hào),這個(gè)變量就變成了對(duì)應(yīng)變量類型的指針變量。必要時(shí)要加( ) 來(lái)避免優(yōu)先級(jí)的問(wèn)題。

引申:C語(yǔ)言中,定義變量時(shí),在定義的最前面寫(xiě)上typedef ,那么這個(gè)變量名就成了一種類型,即這個(gè)類型的同義詞。


   
     
int a ; //int類型變量 a int *a ; //int* 變量a int arr[3]; //arr是包含3個(gè)int元素的數(shù)組 int (* arr )[3]; //arr是一個(gè)指向包含3個(gè)int元素的數(shù)組的指針變量

//-----------------各種類型的指針------------------------------
int* p_int; //指向int類型變量的指針
double* p_double; //指向idouble類型變量的指針
struct Student *p_struct; //結(jié)構(gòu)體類型的指針
int(*p_func)(int,int); //指向返回類型為int,有2個(gè)int形參的函數(shù)的指針
int(*p_arr)[3]; //指向含有3個(gè)int元素的數(shù)組的指針
int** p_pointer; //指向 一個(gè)整形變量指針的指針



指針的2個(gè)重要屬性

指針也是一種數(shù)據(jù),指針變量也是一種變量,因此指針 這種數(shù)據(jù)也符合前面變量和內(nèi)存主題中的特性。

這里要強(qiáng)調(diào)2個(gè)屬性:指針的類型,指針的值。


   
     
int main(void) { ? ?int num = 97; ? ?int *p1 ?= # ? ?char* p2 = (char*)(&num);
? ?printf("%d ",*p1); ? ?//輸出 ?97 ? ?putchar(*p2); ? ? ? ? ?//輸出 ?a ? ?return 0; }



指針的值:很好理解,如上面的num 變量 ,其地址的值就是0028FF40 ,因此 p1的值就是0028FF40。

數(shù)據(jù)的地址用于在內(nèi)存中定位和標(biāo)識(shí)這個(gè)數(shù)據(jù),因?yàn)槿魏?個(gè)內(nèi)存不重疊的不同數(shù)據(jù)的地址都是不同的。

指針的類型:指針的類型決定了這個(gè)指針指向的內(nèi)存的字節(jié)數(shù)并如何解釋這些字節(jié)信息。

一般指針變量的類型要和它指向的數(shù)據(jù)的類型匹配。

由于num的地址是0028FF40,因此 p1 和 p2 的值都是0028FF40

*p1 ?: ?將從地址0028FF40 開(kāi)始解析,因?yàn)閜1是int類型指針,int占4字節(jié),因此向后連續(xù)取4個(gè)字節(jié),并將這4個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)解析為一個(gè)整數(shù) 97。

*p2 ?: ?將從地址0028FF40 開(kāi)始解析,因?yàn)閜2是char類型指針,char占1字節(jié),因此向后連續(xù)取1個(gè)字節(jié),并將這1個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)解析為一個(gè)字符,即'a'。

同樣的地址,因?yàn)橹羔樀念愋筒煌?,?duì)它指向的內(nèi)存的解釋就不同,得到的就是不同的數(shù)據(jù)。



取地址

既然有了指針變量,那就得讓他保存其它變量的地址,使用& 運(yùn)算符取得一個(gè)變量的地址。


   
     
int add(int a , int b) { ? ?return a + b; }
int main(void) { ? ?int num = 97; ? ?float score = 10.00F; ? ?int arr[3] = {1,2,3};
? ?//-----------------------
? ?int* p_num = # ? ?float* p_score = &score; ? ?int (*p_arr)[3] = &arr; ? ? ? ? ? ? ?int (*fp_add)(int ,int ) ?= add; ?//p_add是指向函數(shù)add的函數(shù)指針 ? ?return 0; }



特殊的情況,他們并不一定需要使用&取地址:


  • 數(shù)組名的值就是這個(gè)數(shù)組的第一個(gè)元素的地址。
  • 函數(shù)名的值就是這個(gè)函數(shù)的地址。
  • 字符串字面值常量作為右值時(shí),就是這個(gè)字符串對(duì)應(yīng)的字符數(shù)組的名稱,也就是這個(gè)字符串在內(nèi)存中的地址。




   
     
int add(int a , int b){ ? ?return a + b; } int main(void) { ? ?int arr[3] = {1,2,3}; ? ?//----------------------- ? ?int* p_first = arr; ? ?int (*fp_add)(int ,int ) ?= ?add; ? ?const char* msg = "Hello world"; ? ?return 0; }





解地址

我們需要一個(gè)數(shù)據(jù)的指針變量干什么?

當(dāng)然使用通過(guò)它來(lái)操作(讀/寫(xiě))它指向的數(shù)據(jù)啦。

對(duì)一個(gè)指針解地址,就可以取到這個(gè)內(nèi)存數(shù)據(jù),解地址的寫(xiě)法,就是在指針的前面加一個(gè)*號(hào)。

解指針的實(shí)質(zhì)是:從指針指向的內(nèi)存塊中取出這個(gè)內(nèi)存數(shù)據(jù)。


   
     
int main(void) { ? ?int age = 19; ? ?int*p_age = &age; ? ?*p_age ?= 20; ?//通過(guò)指針修改指向的內(nèi)存數(shù)據(jù)
? ?printf("age = %d ",*p_age); ? //通過(guò)指針讀取指向的內(nèi)存數(shù)據(jù) ? ?printf("age = %d ",age);
? ?return 0; }





指針之間的賦值

指針賦值和int變量賦值一樣,就是將地址的值拷貝給另外一個(gè)。

指針之間的賦值是一種淺拷貝,是在多個(gè)編程單元之間共享內(nèi)存數(shù)據(jù)的高效的方法。

    
int* p1 ?= & num; int* p3 = p1;
//通過(guò)指針 p1 、 p3 都可以對(duì)內(nèi)存數(shù)據(jù) num 進(jìn)行讀寫(xiě),如果2個(gè)函數(shù)分別使用了p1 和p3,那么這2個(gè)函數(shù)就共享了數(shù)據(jù)num。








空指針(NULL指針)

NULL是C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)定義的一個(gè)值,這個(gè)值其實(shí)就是0,只不過(guò)為了使得看起來(lái)更加具有意義,才定義了這樣的一個(gè)宏,中文的意思是空,表明不指向任何東西。你懂得。不過(guò)在此不討論空和零的區(qū)別。

在C語(yǔ)言中,我們讓指針變量賦值為NULL表示一個(gè)空指針,而C語(yǔ)言中,NULL實(shí)質(zhì)是((void*)0),就像前面說(shuō)的指針可以理解成特殊的int,它總是有值的,p=NULL,其實(shí)就是p的值等于0。對(duì)于不多數(shù)機(jī)器而言,0地址是不能直接訪問(wèn)的,設(shè)置為0,就表示該指針哪里都沒(méi)指向。而在C++中,NULL實(shí)質(zhì)是0。

換種說(shuō)法:任何程序數(shù)據(jù)都不會(huì)存儲(chǔ)在地址為0的內(nèi)存塊中,它是被操作系統(tǒng)預(yù)留的內(nèi)存塊。

下面代碼摘自 stdlib.h


   
     
#ifdef __cplusplus ? ? #define NULL ? ?0 #else ? ? ? ? #define NULL ? ?((void *)0) #endif



當(dāng)然,就機(jī)器內(nèi)部而言,NULL指針的實(shí)際值可能與此不同,這種情況下,編譯器將負(fù)責(zé)零值和內(nèi)部值之間的翻譯轉(zhuǎn)換。

NULL指針的概念非常有用,它給了你一種方法,表示某個(gè)特定的指針目前并未指向任何東西。例如,一個(gè)用于在某個(gè)數(shù)組中查找某個(gè)特定值的函數(shù)可能返回一個(gè)指向查找到的數(shù)組元素的指針。如果沒(méi)找到,則返回一個(gè)NULL指針。

在內(nèi)存的動(dòng)態(tài)分配上,NULL的意義非同凡響,我們使用它來(lái)避免內(nèi)存被多次釋放,造成經(jīng)常性的段錯(cuò)誤(segmentation fault)。一般,在free或者delete掉動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存后,都應(yīng)該立即把指針置空,避免出現(xiàn)所以的懸掛指針,致使出現(xiàn)各種內(nèi)存錯(cuò)誤!例如:


free函數(shù)是不會(huì)也不可能把p置空的。像下面這樣的代碼就會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存段錯(cuò)誤:

?
因?yàn)?,第一次free操作之后,p指向的內(nèi)存已經(jīng)釋放了,但是p的值還沒(méi)有變化,free函數(shù)改不了這個(gè)值,再free一次的時(shí)候,p指向的內(nèi)存區(qū)域已經(jīng)被釋放了,這個(gè)地址已經(jīng)變成了非法地址,這個(gè)操作將導(dǎo)致段錯(cuò)誤的發(fā)生(此時(shí),p指向的區(qū)域剛好又被分配出去了,但是這種概率非常低,而且對(duì)這樣一塊內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行操作是非常危險(xiǎn)的!)

但是下面這段代碼就不會(huì)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題:


因?yàn)閜的值編程了NULL,free函數(shù)檢測(cè)到p為NULL,會(huì)直接返回,而不會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。
?
這里順便告訴大家一個(gè)內(nèi)存釋放的小竅門(mén),可以有效的避免因?yàn)橥泴?duì)指針進(jìn)行置空而出現(xiàn)各種內(nèi)存問(wèn)題。這個(gè)方法就是自定義一個(gè)內(nèi)存釋放函數(shù),但是傳入的參數(shù)不知指針,而是指針的地址,在這個(gè)函數(shù)里面置空,如下:


結(jié)果:
? ? ? ???

my_free調(diào)用了之后,p的值就變成了0(NULL),調(diào)用多少次free都不會(huì)報(bào)錯(cuò)了!

另外一個(gè)方式也非常有效,那就是定義FREE宏,在宏里面對(duì)他進(jìn)行置空。例如


執(zhí)行結(jié)果同上面一樣,不會(huì)報(bào)段錯(cuò)誤:
?? ? ? ? ?

(關(guān)于內(nèi)存的動(dòng)態(tài)分配,這是個(gè)比較復(fù)雜的話題,有機(jī)會(huì)再專門(mén)開(kāi)辟一章給各位講述一下吧,寫(xiě)個(gè)帖子還是很花費(fèi)時(shí)間和精力的,呵呵,寫(xiě)過(guò)的童鞋應(yīng)該都很清楚,所以順便插一句,轉(zhuǎn)帖可以,請(qǐng)注明出處,畢竟,大家都是本著共享的精神來(lái)討論問(wèn)題的,寫(xiě)的好壞都沒(méi)有向你所要什么,請(qǐng)尊重每個(gè)人的勞動(dòng)成果。)
指向空,或者說(shuō)不指向任何東西。



壞指針

指針變量的值是NULL,或者未知的地址值,或者是當(dāng)前應(yīng)用程序不可訪問(wèn)的地址值,這樣的指針就是壞指針。

不能對(duì)他們做解指針操作,否則程序會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤,導(dǎo)致程序意外終止。

任何一個(gè)指針變量在做解地址操作前,都必須保證它指向的是有效的,可用的內(nèi)存塊,否則就會(huì)出錯(cuò)。

壞指針是造成C語(yǔ)言Bug的最頻繁的原因之一。

    
下面的代碼就是錯(cuò)誤的示例。

void opp() { ? ? int*p = NULL; ? ? *p = 10; ? ? ?//Oops! 不能對(duì)NULL解地址 }
void foo() { ? ? int*p; ? ? *p = 10; ? ? ?//Oops! 不能對(duì)一個(gè)未知的地址解地址 }
void bar() { ? ? int*p = (int*)1000; ? ? *p =10; ? ? ?//Oops! ? 不能對(duì)一個(gè)可能不屬于本程序的內(nèi)存的地址的指針解地址 }



void*類型指針?

由于void是空類型,因此void*類型的指針只保存了指針的值,而丟失了類型信息,我們不知道他指向的數(shù)據(jù)是什么類型的,只指定這個(gè)數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的起始地址。

如果想要完整的提取指向的數(shù)據(jù),程序員就必須對(duì)這個(gè)指針做出正確的類型轉(zhuǎn)換,然后再解指針。因?yàn)椋幾g器不允許直接對(duì)void*類型的指針做解指針操作。

雖然從字面上看,void的意思是空,但是void指針的意思,可不是空指針的意思,空指針指的是上面所說(shuō)的NULL指針。

void指針實(shí)際上的意思是指向任意類型的指針。任意類型的指針都可以直接賦給void指針,而不需要進(jìn)行強(qiáng)制轉(zhuǎn)換。
?
例如:

    
Type a, *p=&a; (Type等于char, int, struct, int *…) void *pv; pv=p;

就像前面說(shuō)的,void指針的好處,就在于,任意的指針都可以直接賦值給它,這在某些場(chǎng)合非常有用,因此有些操作對(duì)于任意指針都是相同的。void指針最常用于內(nèi)存管理。最典型的,也是大家最熟知的,就是標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的free函數(shù)。它的原型如下:
? ? ? ??
    
void free(void*ptr);
? ? ? ?
free函數(shù)的參數(shù)可以是任意指針,沒(méi)有誰(shuí)見(jiàn)過(guò)free參數(shù)里面的指針需要強(qiáng)壯為void*的吧?
?
malloc, calloc,realloc這些函數(shù)的返回值也是void指針,因?yàn)閮?nèi)存分配,實(shí)際上只需要知道分配的大小,然后返回新分配內(nèi)存的地址就可以了,指針的值就是地址,返回的不管是何種指針,其實(shí)結(jié)果都是一樣的,因?yàn)樗械闹羔橀L(zhǎng)度其實(shí)都是32位的(32位機(jī)器),它的值就是內(nèi)存的地址,指針類型只是給編譯器看的,目的是讓編譯器在編譯的時(shí)候能夠正確的設(shè)置指針的值(參見(jiàn)指針運(yùn)算章節(jié))。如果malloc函數(shù)設(shè)置成下面這樣的原型,完全沒(méi)有問(wèn)題。
? ? ? ??
    
char*malloc(size_t sz);

實(shí)際上設(shè)置成

    
Type*malloc(size_t sz);

也是完全正確的,使用void指針的原因,實(shí)際上就像前面說(shuō)的,void指針意思是任意指針,這樣設(shè)計(jì)更加嚴(yán)謹(jǐn)一些,也更符合我們的直觀理解。如果對(duì)前面我說(shuō)的指針概念理解的童鞋,肯定明白這一點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)體和指針

結(jié)構(gòu)體指針有特殊的語(yǔ)法:-> 符號(hào)
如果p是一個(gè)結(jié)構(gòu)體指針,則可以使用 p ->【成員】 的方法訪問(wèn)結(jié)構(gòu)體的成員


   
     
typedef struct { ? ?char name[31]; ? ?int age; ? ?float score; }Student;
int main(void) { ? ?Student stu = {"Bob" , 19, 98.0}; ? ?Student*ps = &stu;
? ?ps->age = 20; ? ?ps->score = 99.0; ? ?printf("name:%s age:%d ",ps->name,ps->age); ? ?return 0; }



數(shù)組和指針

1、數(shù)組名作為右值的時(shí)候,就是第一個(gè)元素的地址。


   
     
int main(void) { ? ?int arr[3] = {1,2,3};
? ?int*p_first = arr; ? ?printf("%d ",*p_first); ?//1 ? ?return 0; }



2、指向數(shù)組元素的指針 支持 遞增 遞減 運(yùn)算。
(實(shí)質(zhì)上所有指針都支持遞增遞減 運(yùn)算 ,但只有在數(shù)組中使用才是有意義的)


   
     
int main(void) { ? ?int arr[3] = {1,2,3};
? ?int*p = arr; ? ?for(;p!=arr+3;p++){ ? ? ? ?printf("%d ",*p); ? ?} ? ?return 0; }



3、p= p+1 意思是,讓p指向原來(lái)指向的內(nèi)存塊的下一個(gè)相鄰的相同類型的內(nèi)存塊。

同一個(gè)數(shù)組中,元素的指針之間可以做減法運(yùn)算,此時(shí),指針之差等于下標(biāo)之差。

4、p[n] ? ?== *(p+n)
? ? ?p[n][m] ?== *( ?*(p+n)+ m )

5、當(dāng)對(duì)數(shù)組名使用sizeof時(shí),返回的是整個(gè)數(shù)組占用的內(nèi)存字節(jié)數(shù)。當(dāng)把數(shù)組名賦值給一個(gè)指針后,再對(duì)指針使用sizeof運(yùn)算符,返回的是指針的大小。

這就是為什么將一個(gè)數(shù)組傳遞給一個(gè)函數(shù)時(shí),需要另外用一個(gè)參數(shù)傳遞數(shù)組元素個(gè)數(shù)的原因了。


   
     
int main(void) { ? ?int arr[3] = {1,2,3};
? ?int*p = arr; ? ?printf("sizeof(arr)=%d ",sizeof(arr)); ?//sizeof(arr)=12 ? ?printf("sizeof(p)=%d ",sizeof(p)); ? //sizeof(p)=4
? ?return 0; }



函數(shù)和指針

函數(shù)的參數(shù)和指針

C語(yǔ)言中,實(shí)參傳遞給形參,是按值傳遞的,也就是說(shuō),函數(shù)中的形參是實(shí)參的拷貝份,形參和實(shí)參只是在值上面一樣,而不是同一個(gè)內(nèi)存數(shù)據(jù)對(duì)象。

這就意味著:這種數(shù)據(jù)傳遞是單向的,即從調(diào)用者傳遞給被調(diào)函數(shù),而被調(diào)函數(shù)無(wú)法修改傳遞的參數(shù)達(dá)到回傳的效果。


   
     
void change(int a) { ? a++; ? ? ?//在函數(shù)中改變的只是這個(gè)函數(shù)的局部變量a,而隨著函數(shù)執(zhí)行結(jié)束,a被銷(xiāo)毀。age還是原來(lái)的age,紋絲不動(dòng)。 } int main(void) { ? ?int age = 19; ? ?change(age); ? ?printf("age = %d ",age); ? // age = 19 ? ?return 0; }



有時(shí)候我們可以使用函數(shù)的返回值來(lái)回傳數(shù)據(jù),在簡(jiǎn)單的情況下是可以的。

但是如果返回值有其它用途(例如返回函數(shù)的執(zhí)行狀態(tài)量),或者要回傳的數(shù)據(jù)不止一個(gè),返回值就解決不了了。

傳遞變量的指針可以輕松解決上述問(wèn)題。


   
     
void change(int* pa) { ? ?(*pa)++; ? //因?yàn)閭鬟f的是age的地址,因此pa指向內(nèi)存數(shù)據(jù)age。當(dāng)在函數(shù)中對(duì)指針pa解地址時(shí), ? ? ? ? ? ? ? //會(huì)直接去內(nèi)存中找到age這個(gè)數(shù)據(jù),然后把它增1。 } int main(void) { ? ?int age = 19; ? ?change(&age); ? ?printf("age = %d ",age); ? // age = 20 ? ?return 0; }



再來(lái)一個(gè)老生常談的,用函數(shù)交換2個(gè)變量的值的例子:


   
     
#include void swap_bad(int a,int b); void swap_ok(int*pa,int*pb);
int main() { ? ?int a = 5; ? ?int b = 3; ? ?swap_bad(a,b); ? ? ? //Can`t swap; ? ?swap_ok(&a,&b); ? ? ?//OK ? ?return 0; }
//錯(cuò)誤的寫(xiě)法 void swap_bad(int a,int b) { ? ?int t; ? ?t=a; ? ?a=b; ? ?b=t; }
//正確的寫(xiě)法:通過(guò)指針 void swap_ok(int*pa,int*pb) { ? ?int t; ? ?t=*pa; ? ?*pa=*pb; ? ?*pb=t; }




有的時(shí)候,我們通過(guò)指針傳遞數(shù)據(jù)給函數(shù)不是為了在函數(shù)中改變他指向的對(duì)象。

相反,我們防止這個(gè)目標(biāo)數(shù)據(jù)被改變。傳遞指針只是為了避免拷貝大型數(shù)據(jù)。

考慮一個(gè)結(jié)構(gòu)體類型Student。我們通過(guò)show函數(shù)輸出Student變量的數(shù)據(jù)。


   
     
typedef struct { ? ?char name[31]; ? ?int age; ? ?float score; }Student;

//打印Student變量信息 void show(const Student * ps) { ? ?printf("name:%s , age:%d , score:%.2f ",ps->name,ps->age,ps->score); ? }



我們只是在show函數(shù)中取讀Student變量的信息,而不會(huì)去修改它,為了防止意外修改,我們使用了常量指針去約束。

另外我們?yōu)槭裁匆褂弥羔樁皇侵苯觽鬟fStudent變量呢?

從定義的結(jié)構(gòu)看出,Student變量的大小至少是39個(gè)字節(jié),那么通過(guò)函數(shù)直接傳遞變量,實(shí)參賦值數(shù)據(jù)給形參需要拷貝至少39個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù),極不高效。

而傳遞變量的指針卻快很多,因?yàn)樵谕粋€(gè)平臺(tái)下,無(wú)論什么類型的指針大小都是固定的:X86指針4字節(jié),X64指針8字節(jié),遠(yuǎn)遠(yuǎn)比一個(gè)Student結(jié)構(gòu)體變量小。


函數(shù)的指針

跟普通的變量一樣,每一個(gè)函數(shù)都是有其地址的,我們通過(guò)跳轉(zhuǎn)到這個(gè)地址執(zhí)行代碼來(lái)進(jìn)行函數(shù)調(diào)用,只是,跟取普通數(shù)據(jù)不同的在于,函數(shù)有參數(shù)和返回值,在進(jìn)行函數(shù)調(diào)用的時(shí)候,首先需要將參數(shù)壓入棧中,調(diào)用完成后又需要將參數(shù)壓入棧中。既然函數(shù)也是通過(guò)地址來(lái)進(jìn)行訪問(wèn)的,那它也可以使用指針來(lái)指向,事實(shí)上,每一個(gè)函數(shù)名都是一個(gè)指針,不過(guò)它是指針常量和指針常量,它的值是不能改的,指向的值也不能改。

(關(guān)于常量指針和指針常量什么的,有時(shí)間在專門(mén)開(kāi)辟一章來(lái)說(shuō)明const這個(gè)東東吧,也是很有講頭的一個(gè)東東。。。)
?
函數(shù)指針一般用來(lái)干什么呢?函數(shù)指針最常用的場(chǎng)合就是回調(diào)函數(shù)。回調(diào)函數(shù),顧名思義,就是某個(gè)函數(shù)會(huì)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候被別人調(diào)用。當(dāng)期望你調(diào)用的函數(shù)能夠使用你的某些方式去操作的時(shí)候,回調(diào)函數(shù)就很有用,比如,你期望某個(gè)排序函數(shù)在比較的時(shí)候,能夠使用你定義的比較方法去比較。

有過(guò)較深入的C編程經(jīng)驗(yàn)的人應(yīng)該都接觸過(guò)。C的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中就有使用,例如在strlib.h頭文件的qsort函數(shù),它的原型為:

void qsort(void*__base, size_t __nmemb, size_t __size, int(*_compar)(const void *, const void*));
? ? ? ???
其中int(*_compar)(const void *, const void *)就是回調(diào)函數(shù),這個(gè)函數(shù)用于qsort函數(shù)用于數(shù)據(jù)的比較。下面,我會(huì)舉一個(gè)例子,來(lái)描述qsort函數(shù)的工作原理。

一般,我們使用下面這樣的方式來(lái)定義函數(shù)指針:
? ? ? ??
    
typedef int(*compare)(const void *x, const void *y);

這個(gè)時(shí)候,compare就是參數(shù)為const void *, const void *類型,返回值是int類型的函數(shù)。例如:


用typedef來(lái)定義的好處,就是可以使用一個(gè)簡(jiǎn)短的名稱來(lái)表示一種類型,而不需要總是使用很長(zhǎng)的代碼來(lái),這樣不僅使得代碼更加簡(jiǎn)潔易讀,更是避免了代碼敲寫(xiě)容易出錯(cuò)的問(wèn)題。 強(qiáng)烈推薦各位在定義結(jié)構(gòu)體,指針(尤其是函數(shù)指針)等比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)時(shí),使用typedef來(lái)定義。

每一個(gè)函數(shù)本身也是一種程序數(shù)據(jù),一個(gè)函數(shù)包含了多條執(zhí)行語(yǔ)句,它被編譯后,實(shí)質(zhì)上是多條機(jī)器指令的合集。

在程序載入到內(nèi)存后,函數(shù)的機(jī)器指令存放在一個(gè)特定的邏輯區(qū)域:代碼區(qū)。

既然是存放在內(nèi)存中,那么函數(shù)也是有自己的指針的。

C語(yǔ)言中,函數(shù)名作為右值時(shí),就是這個(gè)函數(shù)的指針。


   
void echo(const char *msg){ ? ?printf("%s",msg);}int main(void){ ? ?void(*p)(const char*) = echo; ? //函數(shù)指針變量指向echo這個(gè)函數(shù) ? ?p("Hello "); ? ? ?//通過(guò)函數(shù)的指針p調(diào)用函數(shù),等價(jià)于echo("Hello ") ? ?echo("World"); ? ?return 0;}



const和指針

const到底修飾誰(shuí)?誰(shuí)才是不變的?

如果const 后面是一個(gè)類型,則跳過(guò)最近的原子類型,修飾后面的數(shù)據(jù)。
(原子類型是不可再分割的類型,如int, short , char,以及typedef包裝后的類型)

如果const后面就是一個(gè)數(shù)據(jù),則直接修飾這個(gè)數(shù)據(jù)。

int main(){ ? ?int a = 1; ? ?int const *p1 = &a; ? ? ? ?//const后面是*p1,實(shí)質(zhì)是數(shù)據(jù)a,則修飾*p1,通過(guò)p1不能修改a的值 ? const int*p2 = ?&a; ? ? ? ?//const后面是int類型,則跳過(guò)int ,修飾*p2, 效果同上 ? int* const p3 = NULL; ? ? ?//const后面是數(shù)據(jù)p3。也就是指針p3本身是const . ? const int* const p4 = &a; ?// 通過(guò)p4不能改變a 的值,同時(shí)p4本身也是 const ? int const* const p5 = &a; ?//效果同上 ? return 0;}typedef int* pint_t; ?//將 int* 類型 包裝為 pint_t,則pint_t 現(xiàn)在是一個(gè)完整的原子類型int main(){ ? int a ?= 1; ? const pint_t p1 = &a; ?//同樣,const跳過(guò)類型pint_t,修飾p1,指針p1本身是const ? pint_t const p2 = &a; ?//const 直接修飾p,同上 ? return 0;}

深拷貝和淺拷貝

如果2個(gè)程序單元(例如2個(gè)函數(shù))是通過(guò)拷貝他們所共享的數(shù)據(jù)的指針來(lái)工作的,這就是淺拷貝,因?yàn)檎嬲L問(wèn)的數(shù)據(jù)并沒(méi)有被拷貝。

如果被訪問(wèn)的數(shù)據(jù)被拷貝了,在每個(gè)單元中都有自己的一份,對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)的操作相互不受影響,則叫做深拷貝。
?

附加知識(shí)

指針和引用這個(gè)2個(gè)名詞的區(qū)別。他們本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是同樣的東西。

指針常用在C語(yǔ)言中,而引用,則用于諸如Java,C#等 在語(yǔ)言層面封裝了對(duì)指針的直接操作的編程語(yǔ)言中。

大端模式和小端模式

1) Little-Endian就是低位字節(jié)排放在內(nèi)存的低地址端,高位字節(jié)排放在內(nèi)存的高地址端。個(gè)人PC常用,Intel X86處理器是小端模式。

2) B i g-Endian就是高位字節(jié)排放在內(nèi)存的低地址端,低位字節(jié)排放在內(nèi)存的高地址端。

采用大端方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存放符合人類的正常思維,而采用小端方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存放利于計(jì)算機(jī)處理。

有些機(jī)器同時(shí)支持大端和小端模式,通過(guò)配置來(lái)設(shè)定實(shí)際的端模式。

假如 short類型占用2個(gè)字節(jié),且存儲(chǔ)的地址為0x30。
short a = 1;

如下圖:

?


   
//測(cè)試機(jī)器使用的是否為小端模式。是,則返回true,否則返回false
//這個(gè)方法判別的依據(jù)就是:C語(yǔ)言中一個(gè)對(duì)象的地址就是這個(gè)對(duì)象占用的字節(jié)中,地址值最小的那個(gè)字節(jié)的地址。

     
bool isSmallIndain() { ? ? ?unsigned int val = 'A'; ? ? unsigned char* p = (unsigned char*)&val; ?//C/C++:對(duì)于多字節(jié)數(shù)據(jù),取地址是取的數(shù)據(jù)對(duì)象的第一個(gè)字節(jié)的地址,也就是數(shù)據(jù)的低地址
? ? ?return *p == 'A'; }

-END-

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