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2024/12/24 19:55:37 来源:https://blog.csdn.net/shdbdndj/article/details/143955727  浏览:    关键词:网页版游戏排行榜田田田田田田田田_广告公司朋友圈创意宣传_seo优化工具_手机网站模板
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一.内存和地址

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。
在这里稍微补充一下:一个比特位(bit)可以存储⼀个2进制的位1或者0,8个比特位构成一个字节。
1Byte = 8bit
1KB = 1024Byte
1MB = 1024KB
1GB = 1024MB
1TB = 1024GB
1PB = 1024TB
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
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,这就需要我们刚才所说的指针了。在计算机中的编址,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。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1,0【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内的寄存器。
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二.指针变量和地址
1.取地址操作符
我们使用C语言创建变量时,其实是在向内存申请空间。在这里我们向内存申请4个字节(整型)的空间,用来存放1这个数值。这4个字节,每个字节都有编号(地址)。变量的名字仅仅是给程序员看的,编译器不看名字,编译器是通过地址找内存单元的。
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那我们如何能得到a的地址呢?我们可以使用一个操作符(&)-取地址操作符。
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这样我们就可以将a的地址取出来了。当然,&a取出的是a所占4个字节中地址较小的字节的地址。不过没关系,知道了第一个地址也可以顺藤摸瓜地知道另外几个地址了。
2.指针变量和解引用操作符(*)
我们先来看什么是指针变量,那我们通过取地址操作符(&)拿到的地址是⼀个数值,比如:0x006FFD70,这个数值有时候也是需要存储起来,方便后期再使用的,那我们把这样的地址值存放在哪里呢?答案是:指针变量中。 6f357b4f660a4307b400a079a109c08b.png
指针变量也是⼀种变量,这种变量就是用来存放地址的,存放在指针变量中的值都会理解为地址。在上面的代码中,int *是该指针变量的类型,int表示的是该指针指向的对象是整型类型的,而*表示这个变量为指针变量。
接下来,我们来看解引用操作符。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。这里就需要用到我们刚才说的解引用操作符(*)。
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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,这个表达式就是把a改成了0。有人会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。
3.指针变量的大小
在前面我们了解到,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>
int main()
{printf("%zd\n", sizeof(char *));printf("%zd\n", sizeof(int *));printf("%zd\n", sizeof(float *));printf("%zd\n", sizeof(double *));return 0;
}

根据我们在上面得出的结论,上图的代码在两种环境中得出的结果就不相同。8302ff95b736442f9243c10c109a59c6.png

三.指针变量类型的意义

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?我们接下来慢慢分析。

1.指针的解引用

#include<stdio.h>
int main()
{int n = 0x11223344;char* pc = (char *) & n;*pc = 0;return 0;
}
#include<stdio.h>
int main()
{int n = 0x11223344;int* pc = & n;*pc = 0;return 0;
}
通过调试,我们可以看到,代码2会将n的4个字节全部改为0,但是代码1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。
2.指针加减整数
443835666527472097b381c51003b57d.png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.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。 7a3da95f6283491cb5dc736eda396ecd.png
上图将该指针变量的类型本应该是int*,却使用了char*。所以下面就会报错误——类型不匹配。我们如果使用void*就不会出现这种情况。
四、const 修饰指针
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。
前面已经学习了指针,所以如果我们绕过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。 dbead977e4204c29bcda493724f68946.png
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,那接下来怎么做呢?
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。

#include<stdio.h>
int main()
{int n = 10;int m = 20;int* pn = &n;*pn = 30;pn = &m;printf("%d", *pn);return 0;
}

这是没有const修饰下的效果。

#include<stdio.h>
int main()
{int n = 10;int m = 20;int const * pn = &n;*pn = 30;pn = &m;printf("%d", *pn);return 0;
}

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当我们将const修饰指针变量放在*左边时,*pn就不能被改变了。

#include<stdio.h>
int main()
{int n = 10;int m = 20;int * const pn = &n;*pn = 30;pn = &m;printf("%d", *pn);return 0;
}

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当我们将const修饰指针变量放在*右边时,pn就不能被改变了。

#include<stdio.h>
int main()
{int n = 10;int m = 20;int const* const pn = &n;*pn = 30;pn = &m;printf("%d", *pn);return 0;
}

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当我们将const修饰指针变量放在*两边边时,*pn和pn就都不能被改变了。

所以总的来说: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。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
1.指针+- 整数
指针+- 整数其实我们在前面已经说起过了。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。 3d166c9013834081b513a36f90246482.png
2.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", my_strlen("abc"));return 0;
}

在上述代码中,我们就使用了指针-指针实现了strlen函数的效果。

3.指针的关系运算

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六、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)。
什么情况会出现野指针呢,我们来分析一下。
1.指针未初始化
#include<stdio.h>
int main()
{int* p;*p = 10;return 0;
}

2.指针越界访问

#include<stdio.h>
int main()
{int arr[5] = { 0 };int* p = &arr[0];int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);for (int i = 0; i <= sz; i++){*p = i;p++;}return 0;
}

3.指针指向的空间释放

#include<stdio.h>
int* test()
{int n = 10;return &n;
}
int main()
{int* p=test();printf("%d", *p);return 0;
}

当test()函数运行完时,n作为局部变量,内存将被回收。

七、如何规避野指针

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。
#include<stdio.h>
int main()
{int* p= NULL;return 0;
}

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。
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。
#include<stdio.h>
int main()
{int arr[5] = { 0 };int* p= &arr[0];for (int i = 0; i < 5; i++){*(p + i) = i;}//此时p已经越界了,可以把p置为NULLp = NULL;p = &arr[3];//重新让p获得地址//下次使⽤的时候,判断p不为NULL的时候再使⽤if (p != NULL){//......}return 0;
}

4.避免返回局部变量的地址

如造成野指针的第3个例子,不要返回局部变量的地址。
八、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 ,程序继续运用,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。
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。如果程序有出现问题,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,增加了程序的运用时间。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。
九、指针的使用和传址调用
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 之前的字符的个数。
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。
int length(const char* s)//防止*s在函数中被改变
{int count = 0;assert(s);//通过断言防止野指针while (*s){count++;s++;}return count;
}

2.传值调用和传址调用

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上面的调用就是传值调用,我们可以看出用这个方法交换数值很明显是错的,因为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。那我们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 test(int* pa, int* pb)
{int item;item = *pa;*pa = *pb;*pb = item;
}
int main()
{int a = 1, b = 2;int* pa = &a;int* pb = &b;test(pa, pb);printf("%d %d", a, b);return 0;
}

我们将是a,b的地址作为实参传递给test函数,再通过解引用操作符的作用,我们可以将a,b所对应的数值进行交换。这种调用就叫传址调用。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。

 

 

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