C语言——深入理解指针（1）

一、内存和地址

1.1 内存

在讲内存之前，我们先看一个生活中的案例：

假设有一栋宿舍楼，把你放在楼里，楼上有100个房间，但是房间没有编号，你的一个朋友来找你玩，如果想找到你，就得挨个房子去找，这样效率很低，但是我们如果根据楼层和楼层的房间的情况，给每个房间编上号，如：

一楼：101，102，103...
二楼：201，202，203...
...

有了房间号，如果你的朋友得到房间号，就可以快速的找房间，找到你。

 生活中，每个房间有了房间号，就能提高效率，能快速的找到房间。
如果把上面的例子对照到计算机中，又是怎么样呢？
我们知道计算机上CPU（中央处理器）在处理数据的时候，需要的数据是在内存中读取的，处理后的数据也会放回内存中，那我们买电脑的时候，电脑上内存是 8GB/16GB/32GB 等，那这些内存空间如何高效的管理呢？
其实也是把内存划分为一个个的内存单元，每个内存单元的大小取1个字节。

计算机中常见的单位（补充）：
一个比特位可以存储一个2进制的位1或者0

bit - 比特位       1Byte = 8bit
Byte - 字节        1KB = 1024Byte
KB                1MB = 1024KB
MB                1GB = 1024MB
GB                1TB = 1024GB
TB                1PB = 1024TB
PB

其中，每个内存单元，相当于一个学生宿舍，一个字节空间里面能放8个比特位，就好比同学们住
的八人间，每个人是一个比特位。每个内存单元也都有一个编号（这个编号就相当于宿舍房间的门牌号），有了这个内存单元的编号，CPU就可以快速找到一个内存空间。生活中我们把门牌号也叫地址，在计算机中我们把内存单元的编号也称为地址。C语言中给地址起了新的名字叫：指针。
所以我们可以理解为：内存单元的编号 == 地址 == 指针。

1.2 究竟该如何理解指针

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(就如同宿舍很多，需要给宿舍编号一样)。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。钢琴、吉他 上面没有写上“剁、来、咪、发、唆、拉、西”这样的信息，但演奏者照样能够准确找到每一个琴弦的每一个位置，这是为何？因为制造商已经在乐器硬件层面上设计好了，并且所有的演奏者都知道。本质是一种约定出来的共识！ 

首先，必须理解，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。但是硬件与硬件之间是互相独立的，那么如何通
信呢？答案很简单，用"线"连起来。而CPU和内存之间也是有大量的数据交互的，所
以，两者必须也用线连起来。不过，我们今天关心一组线，叫做地址总线。

硬件编址也是如此
我们可以简单理解，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，2根线就能表示4种含义，依次类推。32根地址线，就能表示2^32种含
义，每一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，将数据在通过数据总线传入CPU内寄存器。

二、指针变量和地址

2.1 取地址操作符（&）

理解了内存和地址的关系，我们再回到C语言，在C语言中创建变量其实就是向内存申请空间，比如：

#include <stdio.h>
int main()
{
    int a = 10;
    return 0;
}

 比如，上述的代码就是创建了整型变量a，内存中申请4个字节，用于存放整数10，其中每个字节都有地址，上图中4个字节的地址分别是：

0x006FFD70
0x006FFD71
0x006FFD72
0x006FFD73

那我们如何能得到a的地址呢？
这里就得学习一个操作符(&)-取地址操作符

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

按照我画图的例子，会打印处理：006FFD70&a取出的是a所占4个字节中地址较小的字节的地
址。

虽然整型变量占用4个字节，我们只要知道了第一个字节地址，顺藤摸瓜访问到4个字节的数据也是可行的。

 2.2.2 如何拆解指针类型

我们看到pa的指针类型是int*，我们该如何理解指针的类型呢？

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

这里pa左边写的是int* ， * 是在说明pa是指针变量，而前面的int 是在说明pa指向的是整型(int)
类型的对象。

 那如果有一个char类型的变量ch，ch的地址，要放在什么类型的指针变量中呢？

char ch = 'w';
pc = &ch;//pc 的类型怎么写呢？

2.2.3 解引用操作符

我们将地址保存起来，未来是要使用的，那怎么使用呢？
在现实生活中，我们使用地址要找到一个房间，在房间里可以拿去或者存放物品。
C语言中其实也是一样的，我们只要拿到了地址（指针），就可以通过地址（指针）找到地址（指针）指向的对象，这里必须学习一个操作符叫解引用操作符(*)。

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

上面代码中第7行就使用了解引用操作符， *pa 的意思就是通过pa中存放的地址，找到指向的空间，*pa其实就是a变量了；所以*pa = 0，这个操作符是把a改成了0。有同学肯定在想，这里如果目的就是把a改成0的话，写成a = 0; 不就完了，为啥非要使用指针呢？其实这里是把a的修改交给了pa来操作，这样对a的修改，就多了一种的途径，写代码就会更加灵活，后期慢慢就能理解了。

2.3 指针变量的大小

前面的内容我们了解到，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后是1或者0，那我们把32根地址线产生的2进制序列当做一个地址，那么一个地址就是32个bit位，需要4个字节才能存储。
如果指针变量是用来存放地址的，那么指针变的大小就得是4个字节的空间才可以。同理64位机器，假设有64根地址线，一个地址就是64个二进制位组成的二进制序列，存储起来就需要
8个字节的空间，指针变量的大小就是8个字节。
 

#include <stdio.h>
//指针变量的大小取决于地址的大小
//32位平台下地址是32个bit位（即4个字节）
//64位平台下地址是64个bit位（即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(double *));
    return 0;
}

X86环境输出结果                                             X64环境输出结果

结论：

（1）32位平台下地址是32个bit位，指针变量大小是4个字节
（2）64位平台下地址是64个bit位，指针变量大小是8个字节
（3）注意指针变量的大小和类型是无关的，只要指针类型的变量，在相同的平台下，大小都是相同的。

三、指针变量的意义

指针变量的大小和类型无关，只要是指针变量，在同一个平台下，大小都是一样的，为什么还要有各种各样的指针类型呢？
其实指针类型是有特殊意义的，我们接下来继续学习。

3.1 指针的解引用

对比，下面2段代码，主要在调试时观察内存的变化

//代码1
#include <stdio.h>
int main()
{
    int n = 0x11223344;
    int *pi = &n;
    *pi = 0;
    return 0;
}

//代码2
#include <stdio.h>
int main()
{
    int n = 0x11223344;
    char *pc = (char *)&n;
    *pc = 0;
    return 0;
}

调试我们可以看到，代码1会将n的4个字节全部改为0，但是代码2只是将n的第一个字节改为0。
结论：指针的类型决定了，对指针解引用的时候有多大的权限（一次能操作几个字节）。
比如： char* 的指针解引用就只能访问一个字节，而 int* 的指针的解引用就能访问四个字节。

3.2 指针+-整数

先看一段代码，调试观察地址的变化。

#include <stdio.h>
int main()
{
    int n = 10;
    char *pc = (char*)&n;
    int *pi = &n;
    printf("%p\n", &n);
    printf("%p\n", pc);
    printf("%p\n", pc+1);
    printf("%p\n", pi);
    printf("%p\n", pi+1);
    return 0;
}

代码运行的结果如下：

 我们可以看出， char* 类型的指针变量+1跳过1个字节， int* 类型的指针变量+1跳过了4个字节。
这就是指针变量的类型差异带来的变化。指针+1，其实跳过1个指针指向的元素。指针可以+1，那也可以-1。
结论：指针的类型决定了指针向前或者向后走一步有多大（距离）。

3.3 void* 指针

在指针类型中有一种特殊的类型是void * 类型的，可以理解为无具体类型的指针（或者叫泛型指
针），这种类型的指针可以用来接受任意类型地址。但是也有局限性， void* 类型的指针不能直接进行指针的+-整数和解引用的运算。

举例：

#include <stdio.h>
int main()
{
    int a = 10;
    int* pa = &a;
    char* pc = &a;
    return 0;
}

在上面的代码中，将一个int类型的变量的地址赋值给一个char*类型的指针变量。编译器给出了一个警告（如下图），是因为类型不兼容。而使用void*类型就不会有这样的问题。

 使用void*类型的指针接收地址：

#include <stdio.h>
int main()
{
    int a = 10;
    void* pa = &a;
    void* pc = &a;
    *pa = 10;
    *pc = 0;
    return 0;
}

VS编译代码的结果：

 这里我们可以看到， void* 类型的指针可以接收不同类型的地址，但是无法直接进行指针运算。
那么void* 类型的指针到底有什么用呢？
一般void* 类型的指针是使用在函数参数的部分，用来接收不同类型数据的地址，这样的设计可以
实现泛型编程的效果，使得一个函数来处理多种类型的数据。

四、const 修饰指针变量

4.1 const修饰变量

变量是可以修改的，如果把变量的地址交给一个指针变量，通过指针变量的也可以修改这个变量。
但是如果我们希望一个变量加上一些限制，不能被修改，怎么做呢？这就是const的作用。

#include <stdio.h>
int main()
{
    int m = 0;
    m = 20;//m是可以修改的
    const int n = 0;
    n = 20;//n是不能被修改的
    return 0;
}

上述代码中n是不能被修改的，其实n的本质是变量，只不过被const修饰后，在语法上加了限制，只要我们在代码中对n进行修改，就不符合语法规则，就报错，致使没法直接修改n。

但是如果我们绕过n，使用n的地址，去修改n就能做到了，虽然这样做是在打破语法规则。

#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;
}

 输出结果：

 我们可以看到这里一个确实修改了，但是我们还是要思考一下，为什么n要被const修饰呢？就是为了不能被修改，如果p拿到n的地址就能修改n，这样就打破了const的限制，这是不合理的，所以应该让p拿到n的地址也不能修改n，那接下来应该怎么做呢？

4.2 const 修饰指针变量

一般来讲const修饰指针变量，可以放在*的左边，也可以放在*的右边，意义是不一样的。

int * p;//没有const修饰？
int const * p;//const 放在*的左边做修饰
int * const p;//const 放在*的右边做修饰

我们看下面代码，来分析具体分析一下：

#include <stdio.h>
//代码1 - 测试无const修饰的情况
void test1()
{
    int n = 10;
    int m = 20;
    int *p = &n;
    *p = 20;//ok?
    p = &m; //ok?
}

//代码2 - 测试const放在*的左边情况
void test2()
{
    int n = 10;
    int m = 20;
    const int* p = &n;
    *p = 20;//ok?
    p = &m; //ok?
}

//代码3 - 测试const放在*的右边情况
void test3()
{
    int n = 10;
    int m = 20;
    int * const p = &n;
    *p = 20; //ok?
    p = &m; //ok?
}

//代码4 - 测试*的左右两边都有const
void test4()
{
    int n = 10;
    int m = 20;
    int const * const p = &n;
    *p = 20; //ok?
    p = &m; //ok?
}

int main()
{
    //测试无const修饰的情况
    test1();
    //测试const放在*的左边情况
    test2();
    //测试const放在*的右边情况
    test3();
    //测试*的左右两边都有const
    test4();
    return 0;
}

结论：const 修饰指针变量的时候

（1）const如果放在*的左边，修饰的是指针指向的内容，保证指针指向的内容不能通过指针来改变。但是指针变量本身的内容可变。
（2）const如果放在*的右边，修饰的是指针变量本身，保证了指针变量的内容不能修改，但是指针指向的内容，可以通过指针改变。

五、指针运算

指针的基本运算有三种，分别是：

（1）指针+- 整数
（2）指针-指针
（3）指针的关系运算

5.1 指针 +- 整数

因为数组在内存中是连续存放的，只要知道第一个元素的地址，顺藤摸瓜就能找到后面的所有元素。

int arr[10] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};

#include <stdio.h>
//指针+- 整数
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]);
    for(i=0; i<sz; i++)
    {
        printf("%d ", *(p+i));//p+i 这里就是指针+整数
    }
    return 0;
}

 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;
}

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

六、野指针

概念：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

#include <stdio.h>
int* test()
{
    int n = 100;
    return &n;
}

int main()
{
    int*p = test();
    printf("%d\n", *p);
    return 0;
}

6.2 如何规避野指针

6.2.1 指针初始化

如果明确知道指针指向哪里就直接赋值地址，如果不知道指针应该指向哪里，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0，0也是地址，这个地址是无法使用的，读写该地址会报错。

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

初始化如下：

#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

一个程序向内存申请了哪些空间，通过指针也就只能访问哪些空间，不能超出范围访问，超出了就是越界访问。

6.2.3 指针变量不再使用时，及时置NULL，指针使用之前检查有效性

当指针变量指向一块区域的时候，我们可以通过指针访问该区域，后期不再使用这个指针访问空间的时候，我们可以把该指针置为NULL。因为约定俗成的一个规则就是：只要是NULL指针就不去访问，同时使用指针之前可以判断指针是否为NULL。
我们可以把野指针想象成野狗，野狗放任不管是非常危险的，所以我们可以找一棵树把野狗拴起来，就相对安全了，给指针变量及时赋值为NULL，其实就类似把野狗栓起来，就是把野指针暂时管理起来。
不过野狗即使拴起来我们也要绕着走，不能去挑逗野狗，有点危险；对于指针也是，在使用之前，我们也要判断是否为NULL，看看是不是被拴起来起来的野狗，如果是不能直接使用，如果不是我们再去使用。

int main()
{
    int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
    int *p = &arr[0];
    int i = 0;
    for(i=0; i<10; i++)
    {
        *(p++) = i;
    }
    //此时p已经越界了，可以把p置为NULL
    p = NULL;
    //下次使用的时候，判断p不为NULL的时候再使用
    //...
    p = &arr[0];//重新让p获得地址
    if(p != NULL) //判断
    {
        //...
    }
    return 0;
}

6.2.4 避免返回局部变量的地址

如造成野指针的第3个离子，不要返回局部变量的地址。

七、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。如果该表达式为真（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（返回值为零）， 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() 的使用对程序员是非常友好的，使用 assert() 有几个好处：它不仅能自动标识文件和
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，不需要再做断言，就在#include <assert.h> 语句的前面，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
除这条#define NDEBUG 指令（或者把它注释掉），再次编译，这样就重新启用了assert() 语
句。

assert() 的缺点是，因为引入了额外的检查，增加了程序的运行时间。
一般我们可以在Debug 中使用，在Release 版本中选择禁用 assert 就行，在VS 这样的集成开
发环境中，在Release 版本中，直接就是优化掉了。这样在debug版本写有利于程序员排查问题，
在Release 版本不影响用户使用时程序的效率。

八、 指针的使用和传址调用

8.1 strlen 的模拟实现

库函数strlen的功能是求字符串长度，统计的是字符串中\0之前字符的个数。

函数原型如下：

size_t strlen ( const char * str );

参数str接收一个字符串的起始地址，然后开始统计字符串中\0 之前的字符个数，最终返回长度。
如果要模拟实现只要从起始地址开始向后逐个字符的遍历，只要不是\0 字符，计数器就+1，这样直到\0 就停止。

参考代码如下：

int my_strlen(const char* s)
{
    int count = 0;
    assert(s);
    while(*s)
    {
        count++;
        s++;
    }
    return count;
}

int main()
{
    int len = my_strlen("abcdef");
    printf("%d\n", len);
    return 0;
}

8.2 传值调用和传址调用

学习指针的目的是使用指针解决问题，那什么问题，非指针不可能呢？

例如：写一个函数，交换两个整型变量的值

一番思考后，我们可能写出这样的代码：

#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;
}

但是当我们运行代码，结果如下：

我们发现其实没产生交换的效果，这是为什么呢？

调试一下，试试呢？

 我们发现在main函数内部，创建了a和b，a的地址是0x00cffdd0，b的地址是0x00cffdc4，在调用
Swap1函数时，将a和b传递给了Swap1函数，在Swap1函数内部创建了形参x和y接收a和b的值，但是x的地址是0x00cffcec，y的地址是0x00cffcf0，x和y确实接收到了a和b的值，不过x的地址和a的地址不一样，y的地址和b的地址不一样，相当于x和y是独立的空间，那么在Swap1函数内部交换x和y的值，自然不会影响a和b，当Swap1函数调用结束后回到main函数，a和b的没法交换。Swap1函数在使用的时候，是把变量本身直接传递给了函数，这种调用函数的方式我们之前在函数的时候就知道了，这种叫传值调用。

结论：实参传递给形参的时候，形参会单独创建一份临时空间来接收实参，对形参的修改不影响实
参。所以Swap1是失败的了。

那怎么办呢？
我们现在要解决的就是当调用Swap函数的时候，Swap函数内部操作的就是main函数中的a和b，直接将a和b的值交换了。那么就可以使用指针了，在main函数中将a和b的地址传递给Swap函数，Swap函数里边通过地址间接的操作main函数中的a和b，并达到交换的效果就好了。

#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);
    Swap2(&a, &b);
    printf("交换后：a=%d b=%d\n", a, b);
    return 0;
}

首先看输出的结果：

我们可以看到实现成Swap2的方式，顺利完成了任务，这里调用Swap2函数的时候是将变量的地址传递给了函数，这种函数调用方式叫：传址调用。
传址调用，可以让函数和主调函数之间建立真正的联系，在函数内部可以修改主调函数中的变量；所以未来函数中只是需要主调函数中的变量值来实现计算，就可以采用传值调用。如果函数内部要修改主调函数中的变量的值，就需要传址调用。