手把手带你拿捏指针(1)

一、内存和地址

1.内存编号、地址和指针的关系

在讲内存和地址之前，我们想有个⽣活中的案例：
    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。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。
    计算机中常⻅的单位（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
Byte - 字节
KB
MB
GB
TB
PB
//一个字节等于八个比特位，之后的每个单位间的换算都是1024，此处不再举例

    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⻔牌号），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。
    ⽣活中我们把⻔牌号也叫地址，在计算机中我们把内存单元的编号也称为地址。C语⾔中给地址起了一个新名字----指针，所以我们可以理解为：内存的编号 = 地址 = 指针

2.对于编址的理解

    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，也就是总线，在这里，我们需要关注地址总线
    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
    就像钢琴、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！
    计算机硬件编址也是如此，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

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：

    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，那我们怎么得到的a的地址呢？就是使用取地址操作符&
而且我们注意到，这里a是四个字节，为什么只显示了一个字节的地址，这个地址又是谁的地址呢？如图：

    我们可以发现&a的结果是四个字节中最小字节的地址，知道了第一个字节的地址，再根据它是整型，顺藤摸瓜访问后三个字节的地址也是可行的

2.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，比如：

    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
我们来仔细分析一下指针变量的类型：
    在上面的指针变量pa的类型由两部分组成，其中的int表明指针变量pa指向整型类型的对象，*表明pa是指针变量，我们依次类推，假如有一个字符变量ch，它的指针变量pc该怎么写呢？如下：

char ch = 'x';
char * pc =&ch;

    与上面的指针变量pa同理，char表明指针变量指向字符型的对象，*表明pc是一个指针变量

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(*)
    比如现在有一个整型变量a，其初始化值为100，有一个指针变量pa指向变量a，如：

int a = 100;
int * pa = &a;

    那我们如何通过指针变量pa，也就是a的地址，去对a进行操作，这时候就要用到我们的解引用操作符（*），使用方法如下：

int a = 100;
int * pa = &a;
* pa =100

    在指针变量前加一个*，就可以通过指针变量存储的地址解引用，找到变量a，然后对其操作即可，代码运行结果如下：

    *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 = 10，这个操作是把a改成了10

4.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，所以指针变量的大小为4或8字节，具体大小要看环境
    接下来我们使用sizeof来查看不同环境下的指针变量大小：


结论：

• 32位平台下地址是32个bit位，指针变量⼤⼩是4个字节
• 64位平台下地址是64个bit位，指针变量⼤⼩是8个字节
• 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、指针变量类型的意义

1.指针解引用

    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
对比下面两个代码，在调试时它们有什么不同：

//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;//将整型指针强制类型转换为//字符类型指针char *pc = (char *)&n;*pc = 0;return 0;
}

首先我们来观察第一个代码调试的结果：

    这里通过 * pi找到了n，并且将n的4个字节全都改成了0，解下来我们来看第二个代码的调试结果：

    这里的 * pc为什么只修改了一个字节呢？n是整型变量，应该有4个字节的空间，怎么会只修改了第一个字节，那是因为指针变量的类型决定这个指针能够访问的空间，第一个代码是整型指针，所以可以访问4个字节，也就把4个字节改成了0，第二个代码将整型指针强制类型转换为了字符型指针，所以只能访问1个字节，也就只把第一个字节改成了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±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;
}

代码执行结果为：

    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，原理同指针+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），如果是整型，那么就往后走4个字节，如果是字符型，就往后走1个字节

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，一般会用在不确定指针类型的情况下，在要使用时再使用
    我们看如下例子：

#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

接下来我们使用void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;
}

    在这个代码里，可以使用void * 指针接收地址，不会报警告，但是由于void * 的指针无法解引用，也就无法修改变量a的值，我们也可以试想，如果void*指针可以解引用，那么解引用时该访问多少个字节？就不确定了，所以并不能直接解引用，代码执行结果如下：

    这⾥验证了我们的想法， 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，在《深⼊理解指针(4)》中我们会讲解

四、const修饰指针

1.const修饰变量

    变量是可以修改的，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，可以在定义变量时在前面加一个const，这样变量就不能被修改，举例如下：

int main()
{int m = 0;const int n = 0;m = 10;n = 10;printf("%d %d", m, n);return 0;
}

    我们尝试运行这段代码，会发现代码根本跑不通，其中的m可以修改，但是由于n被const修饰了，所以不能更改，会直接报错，如下：

    那么是不是只要使用了const修饰变量，就一定没有其它方法更改了吗？没错，我们可以试试创建一个指针变量，将n的地址放进去，然后通过解引用来修改n，这种方法是否可行呢？我们试着运行代码：

    我们可以发现居然神奇的成功了，但是同时我们也要思考一些东西，我们为什么要使用const修饰变量呢？不就是想要这个变量无法被更改吗？现在通过指针解引用修改了变量，不就打破了我们的初衷，那我们如何避免这种情况发生呢？

2.const修饰指针变量

    一般来说const修饰指针变量有两种用法，一个是把const放在 * 左边，一个是把const放在 * 右边，接下来我们来讲解它们的具体区别：
（1）当const在 * 的左边时
    当没有const修饰时，我们可以通过解引用修改指向的变量，如果我们在 的左边加一个const，就可以起到一个解引用不能修改指向的变量的效果，这时const可以写在类型和中间，也可以写在最左边，只要在 *的左边即可，如下举例：

int main()
{int a = 0;const int * p = &a;//等价于int const * p = &a;*p = 10;return 0;
}

经过这样的操作，那么a是否会被修改呢？我们来看看运行结果：

    可以看到代码报错了，就说明了把const放在*的左边确实可以限制其解引用后修改指向的变量，那么此时我们能否修改指针变量呢，比如现在有一个整型变量b，能否将p改为b的地址，如图：

    可以看到此时代码可以正常运行，所以可以得出，const在 * 号的左边时，只能限制通过指针变量修改指向的变量，而不能限制指针变量本身的变化

（2）当const在 * 的右边时
    当const在 * 的右边时，它限制的就是指针变量p，指针变量此时不能改变，却可以改变指针变量指向的对象，我们还是以上面的代码举例，只是将const修改到 * 的右边：

    可以看到确实指针变量p不能被修改了，那么这时能否通过指针变量修改指向的变量呢？如下：

    可以看到a被修改了，所以综上，当const在 * 号的右边时，只能防止指针变量被修改，而不能保证指向的对象不被修改
    那如果我们想既不能改变指针变量，其指向对象也不能被改变，如何操作呢？我们可以在 * 号的两边同时加const，比如：

可以看到这样确实实现了我们想要的效果

3.结论

• 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
• 如果既想要指针变量本身不被修改，也不希望指针指向的对象被修改，可以在*的两边同时加上const

五、指针运算

指针的基本运算有三种，分别是：

• 指针± 整数
• 指针-指针
• 指针的关系运算

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

    如果我们拿到数组arr第一个元素的地址，对这个地址+1会发生什么呢？我们之前讲过，地址±一个整数要看指针的类型，如果是整型指针就跳过4个字节，如果我们对数组第一个元素的地址进行+1操作，应该会变成第二个元素的地址，如图所示：

所以我们在访问数组时，可以使用指针的形式，如下代码：

int main()
{int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);int* p = &arr[0];for (int i = 0; i < sz; i++){printf("%d ", *(p + i));}return 0;
}

    当i=0时，就是对&arr[0]解引用，访问到了第一个元素，当i=1时，就是对&arr[0]+1进行解引用，访问到了第二个元素，依此类推，最后可以实现打印所有数组元素的效果，如图：

2.指针-指针

    我们通过模拟实现函数strlen来讲解指针-指针，首先我们来讲一下strlen的用法，使用strlen函数需要包含头文件string.h，它的作用就是算出一个字符串的长度，参数是数组或者一个字符串，如下：

    它的原理就是从第一个字符开始，碰到\0时结束，统计\0之前的字符的个数，我们现在来进行模拟实现，我们自己创建一个函数my_strlen
    首先我们需要了解一个知识点，就是数组名一般情况下是数组首元素地址，这个知识点在下一篇博客会详细讲解，这里了解一下
    接下来我们开始实现：
    函数参数：我们上面说了传过去的数组名是首元素的地址，所以我们函数接收时需要用指针接收，比如就写出char* p，用p来接收首元素地址
    函数实现：
（1）strlen的原理就是从第一个元素开始数，直到碰到\0结束，并且不会把\0算上去，所以首先我们需要记录下第一个元素的地址，也就是刚刚进函数时的p，我们创建一个指针变量start来接收此时p的地址
（2）我们之前说过\0实际上的值就是数字0，然后数字0又可以代表假，所以我们可以将p解引用后放入while循环的判断条件中，每执行一次循环就p++，然后又来到循环判断，直到p解引用后是\0，循环就结束了
（3）我们最后得到的p就是\0前最后一个元素的地址，我们用这个时候的p减去start就可以得到元素的数量，从而实现函数，原理就是指针-指针会得到两个地址间的元素个数
（4）最后我们注意strlen的返回类型是size_t，是一种无符号整型
（5）最终实现代码如下：

#include <stdio.h>
size_t my_strlen(char* p)
{char* start = p;while (*p){p++;}return p - start;
}int main()
{char arr[] = "abcdef";size_t num = my_strlen(arr);printf("%zd\n", num);return 0;
}

最终代码执行结果如下：

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）

1.野指针成因

    野指针的成因一般有三种，如下：
（1）指针未初始化
如下代码：

#include <stdio.h>
int main()
{ int *p;*p = 20;return 0;
}

    大家猜一下会发生什么，代码会报错，提示指针变量未初始化，因为当指针变量未初始化时，默认为随机值，自然不能解引用

（2）指针越界访问
如下代码：

#include <stdio.h>
int main()
{int arr[10] = {0};int *p = &arr[0];int i = 0;for(i=0; i<=11; i++){*(p++) = i;}return 0;
}

    我们分析代码时可以发现，当i=10时，此时p会变成数组第十一个元素的地址，但是并不存在第十一个元素，所以指针越界访问了，这种也叫野指针

（3）指针指向的空间释放
如下代码：

#include <stdio.h>
int* test()
{int n = 100;return &n;
}
int main()
{int*p = test();printf("%d\n", *p);return 0;
}

    在上述代码中，函数test返回n的地址，但是变量n是一个函数中的局部变量，当函数执行完成后就会被销毁，也就导致接收返回值的指针变量p指向的空间释放了，也就自然不能解引用导致错误，这也是野指针的一种

2.规避野指针的方法

（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，写该地址会报错

（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，后面也会举例说明

（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

（4）避免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”，用法如下：

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，如下所示：

#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 版本不影响⽤⼾使⽤时程序的效率
    现在我们可以实战使用一下它，我们上面模拟实现了strlen函数，当我们传参给函数my_strlen时，要确保我们接收的地址非空，所以这时可以在函数前加一个assert断言，用来判断接收的地址是否为空，代码如下：

#include <assert.h>
size_t my_strlen(char* p)
{assert(p != NULL);char* start = p;while (*p){p++;}return p - start;
}

八、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：

void exg(int a, int b)
{int exg = a;a = b;b = exg;
}int main()
{int a = 10;int b = 20;printf("交换前：a = %d，b = %d\n", a, b);exg(a, b);printf("交换后：a = %d，b = %d\n", a, b);return 0;
}

那么这个代码能否实现我们的需求呢？它的运行结果如下：

    我们发现函数exg并没有帮我们把这两个变量的值交换，这是因为我们传参时，会把变量的值传过去，但是只是把值传过去，在函数exg的栈帧中会重新创建a和b来接收传过来的值，所以实现交换操作时，只是将exg中的a和b交换，然后函数结束时就销毁了，并没有起到实际作用
    那要怎么办呢？我们的需求就是将main函数中真正的a和b进行交换，我们可以使用传址调用，什么意思呢？就是将a和b的地址传过去，然后我们就可以通过a和b的地址对a和b进行间接访问
如下代码：

void exg(int* pa, int* pb)
{int exg = *pa;*pa = *pb;*pb = exg;
}int main()
{int a = 10;int b = 20;printf("交换前：a = %d，b = %d\n", a, b);exg(&a, &b);printf("交换后：a = %d，b = %d\n", a, b);return 0;
}

我们来看看代码执行的结果：

    我们可以看到第二种⽅式顺利完成了任务，这⾥调⽤exg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