C语言第八章指针一
一.内存和地址
1.内存
再讲述内存知识点之前,我们举一个例子来更好的了解内存的底层原理。假设有一栋宿舍楼,你在宿舍楼里面住着,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,这样就很容易的能找到你。如:
一楼:101,102,103...
二楼:201,202,203
... ...
生活中,当每个房间有了房间号,寻找就能提高效率,能快速的找到房间。 如果把上面的例子对照到计算机中,又是什么样的情况呢?
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去,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。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,就好比我们住的的8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叫做地址,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,三者之间是完全相同的概念。
内存由内存单元构成,每个内存单元通过地址定位,存储二进制数据;CPU通过内存控制器访问内存、读取或者修改数据;
2.编址的理解
CPU访内存中的某个字节空间时,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)。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,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,就像吉他一样: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。 32位机器有32根地址总线, 每根线只有两态,表示0,1(电脉冲的有无),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&
理解了内存和地之间的关系,我们就会对代码有新的理解,下面我们来看这个代码:
#include <stdio.h>
int main()
{int a = 10;return 0;
}
上述代码就是定义了一个变量a,并且在内存中开辟4个字节的空间,用于存储a变量的值。可是话说回来,程序运行起来,在操作系统中为变量a申请空间时,会将此次申请的空间叫做a吗?不会的!变量是给我们程序员看的,在系统上,只会为10申请空间。至于变量a完全是方便程序员进行代码的操作。
上述图片是根据调试,打开内存窗口看到的变量a的内存。那我们应该如何让变量a的地址打印在控制台屏幕上呢?这就需要取地址操作符:&
#include <stdio.h>
int main()
{int a = 10;&a;//取出a的地址 printf("%p\n", &a);return 0;
}
按照上面的代码和左侧的地址图示可以得:在系统为变量a申请4字节空间后,其中0x006FFD70、 0x006FFD71、 0x006FFD72、 0x006FFD73四个字节的地址因为变量a初始化为10,而使它们内存中的值发生了变化。最后代码输出的结果是006FFD70。虽然整型变量占用4个字节,但是我们只要知道了第一字节地址,顺藤摸瓜就可以访问到其它字节的数据。
2.指针变量
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。 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被理解为地址。下面是定义指针变量的代码演示:
#include <stdio.h>
int main()
{int a = 10;int * pa = &a;//取出a的地址并存储到指针变量pa中 return 0;
}
我们可以看到在定义指针变量时,用的是int * pa = &a;其中pa为指针变量的名字,所以该指针变量的类型是int *,这个指针变量的类型,我们应该怎样去理解呢?
在定义指针变量时,int *前面的 int 表示的含义是该指针地址储存的对应内容的数据类型,就像上述例子中:a是整型,所以定义a变量地址之前就应该先写出int,告诉程序员自己该地址储存的变量是int类型的数据。至于int *后面的*的具体含义:指明该变量是指针变量仅此而已。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';
char * pc = &ch;
3.解引用操作符*
在生活中,首先知道了宿舍楼的门牌号,下一步应该干什么呢?当然是根据门牌号找到自己的好朋友啊。指针也是一样的道理,利用取地址操作符找到变量的地址,下一步就应该创造一个操作符,作用当然是使用变量的地址。这个操作符就是解引用操作符。在C语言中,我们只要拿到了地址(指针),就可以用解引用操作符通过地址(指针)找到地址(指针) 指向的对象。
#include <stdio.h>
int main()
{int a = 100;int* pa = &a;*pa = 0;return 0;
}
上述代码的解释:首先创建了变量a并且初始化为100,在系统中申请了4个字节的地址用于存放数据100,然后将创建了指针变量pa并且初始化为变量a的地址,最后通过解引用操作符得到pa地址存储的变量a的内容,并且将100改为0。有些伙伴肯定在想:为什么我们不直接进行重新赋值:a=0; 而是非要多此一举呢?开始的时候我也不明白这是为什么,气候的原因是:多个改变变量值的方法,这样会使写代码更加灵活,有时候我们已知条件不同,书写方式就不同。
4.指针变量的大小
在C语言中,任何变量都在内存中有自己的大小,指针变量也不例外。非指针变量的内存的大小主要由数据类型决定。比如:double类型的数据变量大小为8个字节、int类型的数据变量大小为4个字节。那么指针变量呢?难道也与其前面的数据类型有关吗?下面让我们一起揭开这层谜底。
在每次书写代码时,基本都会创建变量,每当我们打开调试的地址块时,就会得到创建的变量的地址。它会显示出一个16进制的数字,不论变量的数据类型是什么样的,该变量的地址表示的数字长度都是固定不变的,只不过会因为char int double 的原因, 地址的大小会不一样。
通过上述的解释:我们知道地址表示形式是一个16进制的数字,在创建指针变量的时候,相当于:将这个16进制的数字储存在这个指针变量内。因为指针变量存储变量的地址时,只存储该变量首字节的地址,所以无论变量的数据类型是int char double,对应的指针变量的大小都是一样大的。(都只储存该变量的首字节的地址)
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;
}
总结:上述左侧图片是32位平台下,代码输出结果;右侧图片是64位平台下,代码输出的结果。在32位平台下,定义的指针变量是4个字节;在64位平台下,定义的指针变量是8字节。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
通过上述的学习,相信伙伴们都有一个问题:非指针变量的数据类型可以告诉系统此次为该变量申请多大的空间;但是指针变量大小都是一样的,那是不是不需要指针变量也可以?这个想法是错误的,指针变量也是有作用的。下面我们一起学习指针变量的作用。
1.指针的解引用
//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;
}
经过调试我们可以发现,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: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
#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;
}
经过上述代码和运行结果我们可以看出: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个指针指向的元素大小。
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。(指针类型就是加减距离时的步长)
3.void *指针
在指针类型中有一种特殊的类型是 void * 类型,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。下面将给出原因:
#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,是因为类型不兼容。而使用void*类型就不会有这样的问题。
#include <stdio.h>
int main()
{int a = 10;void* pa = &a;void* pc = &a;*pa = 10;*pc = 0;return 0;
}
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。原因是:进行指针相关的运算时,需要指针类型。但是void*类型的指针是无具体类型的指针,所以无法参与指针的运算。
那么 void* 类型的指针到底有什么用呢?
⼀般 void* 类型的指针是在函数参数的部分使用,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,在后面的学习中我会讲述。
四.const修饰指针
1.const修饰变量
变量是可以修改的,这是变量的一个属性。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?这时候就需要const进行修饰。
#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,因为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就行修改,就不符合语法规则,就报错,致使没法直接修改n。但是在这里需要说明n虽然无法被修改,但是它依然是变量。
开心一刻:const修饰变量就像中国古代的太监一样,虽然被净身,但是基因的性染色体还是XY,所以依然是男生,这点是没有改变的。
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;
}
我们可以看到这里变量确实修改成功了,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,就像太监钻了空子,通过其他的方法,没有被净身,身为皇帝的你,同意吗?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。
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:
//代码1 - 测试⽆const修饰的情况
#include <stdio.h>
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。
const放的位置后面的内容是无法改变的。
五.指针的运算
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。这也是遍历数组另外一种方法。
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;}
上述代码的解释:首先创建了数组、指针变量。其中指针变量存的是数组首元素的地址,然后创建循环准备遍历数组。循环开始时,先解引用首元素,随着循环的继续,渐渐的让指针变量加整数,因为指针变量的类型为int *,数组元素的数据类型为int,所以指针每次跳的步长为4个字节,刚好跳成下一个数组元素的地址 。
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;
}
上述代码的解释:指针减去指针就是两指针指向内容的中间元素的个数,当然必须满足指针指向同一个内容的前提,不能是数组1的指针减去数组2的指针,虽然确实可以计算,但是没有任何实际意义。
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;
}
上述代码的解释:指针的关系运算主要是:比较大小从而判断两指针的位置。上述通过判断首指针和末指针的位置关系,用于数组元素的遍历。
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
(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;
}
上述代码的解释:首先创建了指针变量p,指针变量的类型为int *,没有进行初始化,就解引用该指针变量并且赋值为20。这种行为是非法的,定义指针变量时,没有进行初始化,说明:该指针变量指向了一个随机的地址,接下来对系统随即地址进行解引用和赋值,有着篡改系统内存的风险。
(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;
}
上述代码的解释:当数组越界访问时,对应的指针变量指向也就变成了野指针,但是在这之前该指针是正常的指针,一旦越界访问,指针指向不该指向的地址时就成为了野指针。
(3)指针指向的空间已被释放
#include <stdio.h>
int* test()
{int n = 100;return &n;
}
int main()
{int*p = test();printf("%d\n", *p);return 0;
}
上述代码的解释:在函数调用时,系统为函数的调用开辟函数栈帧,供函数内部变量的创建等操作,当函数运行完毕时,系统就会释放该函数的空间。在此时指针变量指向释放的地址就是非法行为,即具有危险性,所以该指针被称为野指针 。
2.避免野指针的方法
(1)初始化指针
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。其中NULL是C语言中定义的一个标识符常量值为0,0也是地址,这个地址是无法使用的,读写该地址就会报错。这样就可以规避程序员读写未初始化的地址。
#include <stdio.h>
int main()
{int num = 10;int*p1 = #int*p2 = NULL;return 0;
}
(2)防止指针越界
一个程序向内存申请了哪些空间,通过指针也就只能访问那些空间,不能超出范围访问,超出了就是越界访问。我们应该在书写代码时,避免此种情况的出现。
(3)使用前后进行检查
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。在不使用该指针变量时赋值为NULL。在使用之前,我们也要判断是否为NULL,如果是,则不能直接使用,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;
}
(4)避免返回局部变量的地址
为了防止造成野指针的第3个例子产生,我们在使用指针时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( ) 不会对程序产生任何作用,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 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 版本中使用,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,直接将assert优化掉了。这样在debug版本写有利于程序员排查问题, 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
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,最终返回该字符串的长度。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 my_strlen(const char * str)
{int count = 0;assert(str);while(*str){count++;str++;}return count;
}
int main()
{int len = my_strlen("abcdef");printf("%d\n", len);return 0;
}
上述代码的解释:定义一个函数,参数为字符串的首地址指针变量,当该指针变量指向的内容不是‘\0’ 时,计数变量count自增1,直到指针变量指向了‘\0’时,循环终止。这里增加了assert断言,防止str为空指针。再在函数参数部分加上了const修饰*str ,防止有代码对传入字符串进行修改。
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,那什么问题非指针解决不可呢?
例如:写一个函数,交换两个整型变量的值
#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;
}
我们发现没产生交换的效果,这是为什么呢?调试一下试试 :
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(形参是实参的临时拷贝),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的没有达到交换的效果。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函数的实现是失败的。
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。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 函数里面通过地址间接的交换main函数中的a和b。
#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;
}
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。 该方式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。