【C语言】指针深度剖析（一）

一、内存和地址

1.1 内存的基本概念

在计算机中，CPU处理数据时需要从内存中读取数据，处理后的数据也会放回内存。为了高效管理内存，内存被划分为一个个大小为1字节的内存单元，每个内存单元都有唯一的编号，这个编号就是我们所说的地址，在C语言中也被称为指针。

举个例子：一栋宿舍楼有100个房间，给每个房间编上号（如101、102等），根据房间号就能快速找到房间。内存就像这栋宿舍楼，每个内存单元就像一个房间，地址则是房间号，有了地址，CPU就能快速找到对应的内存单元。

计算机中常见的存储单位及换算关系如下：

• 1byte（字节）= 8bit（比特位）
• 1KB = 1024byte
• 1MB = 1024KB
• 1GB = 1024MB
• 1TB = 1024GB
• 1PB = 1024TB

1.2 编址的原理

CPU访问内存中的某个字节空间，必须知道该字节空间的地址。计算机的编址是通过硬件设计实现的，就像钢琴、吉他等乐器，制造商在硬件层面设计好，演奏者就能准确找到相应位置。

CPU和内存之间通过大量的线连接，其中一组重要的线是地址总线。32位机器有32根地址总线，每根线有0和1两种状态（表示电脉冲有无），32根地址线能表示2^32种不同的地址。地址信息通过地址总线传给内存，内存根据地址找到对应数据，再通过数据总线传入CPU寄存器。

二、指针变量和地址

2.1 取地址操作符（&）

在C语言中，创建变量的本质是向内存申请空间。

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

变量a占用4个字节的内存空间，每个字节都有自己的地址。我们可以使用取地址操作符&来获取变量的地址，如&a得到的是a所占4个字节中地址较小的那个字节的地址。

2.2 指针变量和解引用操作符（*）

2.2.1 指针变量

通过取地址操作符&得到的地址是一个数值，我们可以将其存储在指针变量中。指针变量就是专门用来存放地址的变量。

#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;
}

2.2.2 指针类型的解读

指针变量的类型由*和前面的类型组成，如int*表示该指针变量指向的是整型（int）类型的对象。对于char类型的变量ch，其地址应存放在char*类型的指针变量中。

2.2.3 解引用操作符

有了指针变量存储地址后，我们可以使用解引用操作符*通过地址找到对应的变量并进行操作。

#include <stdio.h>
int main()
{int a = 100;int* pa = &a;*pa = 0; // 通过pa中存放的地址找到a，并将a的值改为0return 0;
}

这里*pa就相当于变量a，通过*pa可以对a进行修改，这为操作变量提供了另一种途径。

2.3 指针变量的大小

指针变量的大小取决于地址的大小：

• 在32位平台下，地址是32个比特位，指针变量大小为4个字节。
• 在64位平台下，地址是64个比特位，指针变量大小为8个字节。

需要注意的是，指针变量的大小和其类型无关，在相同平台下，所有指针类型的变量大小都是相同的。例如：

#include <stdio.h>
int main()
{printf("%zd\n", sizeof(char*));printf("%zd\n", sizeof(short*));printf("%zd\n", sizeof(int*));printf("%zd\n", sizeof(double*));return 0;
}

在32位环境下输出结果均为4，在64位环境下输出结果均为8。

三、指针变量类型的意义

虽然指针变量的大小和类型无关，但指针类型有着重要的意义。

3.1 影响解引用的权限

指针的类型决定了对指针解引用时的操作权限，即一次能操作的字节数。例如：

• char*类型的指针解引用只能访问1个字节。
• int*类型的指针解引用能访问4个字节。

看下面两段代码：

// 代码1
int main() {int a = 0x11223344;int* p = &a;*p = 0;return 0;
}

逐语句调试，代码运行到15行时。int*可以访问四个字节，将四个字节都改为0

// 代码2
int main() {int a = 0x11223344;char* p = &a;*p = 0;return 0;
}

逐语句调试，代码运行到22行时。char*只访问访问一个字节，将第一个字节改为0

3.2 影响指针 ± 整数的步长

指针的类型决定了指针向前或者向后走一步的距离。例如：

int* + 1 跳过四个字节（int大小），char* + 1 跳过一个字节（char大小）

3.3 void* 指针

void*类型的指针可以接受任意类型的地址，可以理解为无具体类型指针（或者叫泛型指针）但它不能直接进行指针的±整数和解引用运算。通常用于函数参数部分，实现泛型编程的效果，以处理多种类型的数据。

四、const修饰指针

4.1 const修饰变量

被const修饰的变量不能直接被修改。

#include <stdio.h>
int main()
{const int n = 0;n = 20; // 报错，n不能被直接修改return 0;
}

此时变量具有常属性，称为常变量，但本质依旧是变量而不是常量。

在C++中被const修饰则为常量。

但如果通过指针获取其地址，还是可以修改该变量的值，这显然打破了const的限制，所以需要用const修饰指针变量。

4.2 const修饰指针变量

• const放在*的右边：修饰的是指针变量本身，指针变量不可以再指向其他变量。但可以通过指针修改指向的内容。

int main()
{int a = 10;int b = 20;int * const p = &a;p = &b;//err*p = 100;//可以通过编译return 0;
}

• const放在*的左边：限制指向的内容，不可以通过指针来修改，但可以修改指针指向的变量。

int main()
{int a = 10;int b = 20;int const* p = &a;p = &b;//可以通过编译*p = 100;//errreturn 0;
}

五、指针运算

指针的基本运算有三种：

5.1 指针±整数

原理同本文3.2部分。

由于数组在内存中是连续存放的，知道第一个元素的地址后，通过指针±整数可以访问数组中的其他元素。

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)); // 通过指针+整数访问数组元素}return 0;
}

注意：

• *(p+1)不要写成*p+1，前者表示指针变量+1，后者表示p指向的内容+1
• 在sizeof()中，输入数组名arr，计算整个数组的大小。

5.2 指针-指针

通过上述，我们可以明确：

指针1 + 整数 = 指针2

以此推理出

整数 = 指针2 - 指针1

类比“日期 - 日期”，得到之间的天数。两个指针相减的结果是它们之间的元素个数，常用于计算字符串长度等场景。

• strlen()求字符串长度，统计字符串\0之前字符个数
• 数组名arr是数组首元素的地址。arr等价于&arr[0]

模拟实现strlen()函数：

• 方法1 计数器

int my_strlen(char* s)
{int cnt = 0; //计数器while(*s ！= '\0'){cnt++;str++}return cnt; // 计算两个指针之间的元素个数，即字符串长度
}
int main()
{printf("%d\n", my_strlen("abc")); //输出3return 0;
}

• 方法2 指针 - 指针

int my_strlen(char* s)
{char* p = s;while (*p != '\0')p++;return p - s; // 计算两个指针之间的元素个数，即字符串长度
}
int main()
{printf("%d\n", my_strlen("abc")); //输出3return 0;
}

注意：

• 指针 - 指针 的前提时两个指针指向同一块空间！

例如：

int main()
{int arr[10] = {0};char ch[10] = {'0'};printf("%d\n",&ch[0] - &arr[0]);//errreturn 0;
}

• "日期 + 日期"没有意义，同样的，“指针 + 指针”也没有任何意义。

5.3 指针的关系运算

指针与指针比较大小，其实就是地址与地质比较大小。

数组随下标变大，地址由低变高。

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，当p指向的地址小于arr+sz(相当于数组最后一个元素的地址)进入循环{printf("%d ", *p);p++;}//输出 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10return 0;
}

六、野指针

野指针就是指针指向内容是不可知的（不正确、随机、没有明确限制）

6.1 野指针成因

• 指针未初始化：局部变量指针未初始化时，其值是随机的。

int main()
{ int *p;//此时p是局部变量，指针未初始化，默认为随机值 *p = 20;return 0;
}

• 指针越界访问：指针指向的范围超出数组等申请的内存空间。

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;
}

• 指针指向的空间释放：返回局部变量的地址，该局部变量的空间在函数调用结束后会被释放。

int* test()
{int n = 100;return &n;
}int main()
{int*p = test();printf("%d\n", *p);//此时test()调用完成，栈帧被销毁， 内存被释放return 0;
}

6.2 如何规避野指针

• 指针初始化：明确指向时直接赋值地址，否则赋值NULL（NULL是值为0的标识符常量，该地址无法使用,读写地址也会报错）。

int main()
{int* p = NULL;*p = 20//err
}

• 小心指针越界：不访问超出申请内存范围的空间。
• 及时置NULL并检查：指针变量不再使用时置为NULL，使用前判断是否为NULL。
• 避免返回局部变量的地址。

七、assert断言

assert.h头文件中的assert()宏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。其表达式为真时程序继续运行，为假时报错并显示相关信息。

assert（p != NULL）;//确保 p为有效指针

• assert()断言相对if语句的优点：
  • 出现错误会直接报错，指明在什么文件，哪一行
  • 无需修改代码就可以禁用assert().可以通过在#include <assert.h>前定义NDEBUG宏来禁用assert()语句.
    
• 缺点：
  • 引入了额外的检查，增加了程序运行时间

通常在Debug版本中使用，Release版本中禁用，以不影响程序效率。VS2022中release版会直接禁用assert

八、指针的使用和传址调用

8.1 strlen的模拟实现

strlen函数用于求字符串长度，统计的是字符串中\0之前的字符个数。模拟实现如下：

#include <stdio.h>
#include <assert.h>
size_t my_strlen(const char* str)//限制内容，不能被修改
{int count = 0;assert(str); // 确保 str不为NULLwhile (*str){count++;str++;}return count;
}
int main()
{int len = my_strlen("abcdef");printf("%zd\n", len);return 0;
}

求出的长度不可能是负数，因此返回值类型使用size_t（无符号整型）更合适，打印应使用zd%作为占位符。

8.2 传值调用和传址调用

• 传值调用：实参传递给形参时，形参创建临时空间接收实参。形参和实参是独立的两个空间。形参只是实参的一份临时拷贝，对形参的修改不影响实参。

• 传址调用：将变量的地址传递给函数，函数内部通过地址间接操作主调函数中的变量，可实现对变量的修改。

例如交换两个整型变量的值，使用传址调用：

#include <stdio.h>
void Swap(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);Swap(&a, &b);printf("交换后:a=%d b=%d\n", a, b);return 0;
}

运行结果：

指针是C语言的精华，掌握好指针能让我们在编程中更加得心应手。希望本文能帮助大家更好地理解指针的相关知识，后续还会有更深入的探讨。