【C語言】指針深度剖析（一）

文章目錄

  • 一、內存和地址
    • 1.1 內存的基本概念
    • 1.2 編址的原理
  • 二、指針變量和地址
    • 2.1 取地址操作符（&）
    • 2.2 指針變量和解引用操作符（*）
      • 2.2.1 指針變量
      • 2.2.2 指針類型的解讀
      • 2.2.3 解引用操作符
    • 2.3 指針變量的大小
  • 三、指針變量類型的意義
    • 3.1 影響解引用的權限
    • 3.2 影響指針 ± 整數的步長
    • 3.3 void* 指針
  • 四、const修飾指針
    • 4.1 const修飾變量
    • 4.2 const修飾指針變量
  • 五、指針運算
    • 5.1 指針±整數
    • 5.2 指針-指針
    • 5.3 指針的關系運算
  • 六、野指針
    • 6.1 野指針成因
    • 6.2 如何規避野指針
  • 七、assert斷言
  • 八、指針的使用和傳址調用
    • 8.1 strlen的模擬實現
    • 8.2 傳值調用和傳址調用

一、內存和地址

1.1 內存的基本概念

在計算機中，CPU處理數據時需要從內存中讀取數據，處理后的數據也會放回內存。為了高效管理內存，內存被劃分為一個個大小為1字節的內存單元，每個內存單元都有唯一的編號，這個編號就是我們所說的地址，在C語言中也被稱為指針。

舉個例子：一棟宿舍樓有100個房間，給每個房間編上號（如101、102等），根據房間號就能快速找到房間。內存就像這棟宿舍樓，每個內存單元就像一個房間，地址則是房間號，有了地址，CPU就能快速找到對應的內存單元。

計算機中常見的存儲單位及換算關系如下：

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

1.2 編址的原理

CPU訪問內存中的某個字節空間，必須知道該字節空間的地址。計算機的編址是通過硬件設計實現的，就像鋼琴、吉他等樂器，制造商在硬件層面設計好，演奏者就能準確找到相應位置。

CPU和內存之間通過大量的線連接，其中一組重要的線是地址總線。32位機器有32根地址總線，每根線有0和1兩種狀態（表示電脈沖有無），32根地址線能表示2^32種不同的地址。地址信息通過地址總線傳給內存，內存根據地址找到對應數據，再通過數據總線傳入CPU寄存器。

在這里插入圖片描述

二、指針變量和地址

2.1 取地址操作符（&）

在C語言中，創建變量的本質是向內存申請空間。

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

變量a占用4個字節的內存空間，每個字節都有自己的地址。我們可以使用取地址操作符&來獲取變量的地址，如&a得到的是a所占4個字節中地址較小的那個字節的地址。
在這里插入圖片描述

2.2 指針變量和解引用操作符（*）

2.2.1 指針變量

通過取地址操作符&得到的地址是一個數值，我們可以將其存儲在指針變量中。指針變量就是專門用來存放地址的變量。

#include <stdio.h>
int main()
{int a = 10;int* pa = &a; // 取出a的地址并存儲到指針變量pa中return 0;
}

2.2.2 指針類型的解讀

指針變量的類型由*和前面的類型組成，如int*表示該指針變量指向的是整型（int）類型的對象。對于char類型的變量ch，其地址應存放在char*類型的指針變量中。

2.2.3 解引用操作符

有了指針變量存儲地址后，我們可以使用解引用操作符*通過地址找到對應的變量并進行操作。

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

這里*pa就相當于變量a，通過*pa可以對a進行修改，這為操作變量提供了另一種途徑。

2.3 指針變量的大小

指針變量的大小取決于地址的大小：

  • 在32位平臺下，地址是32個比特位，指針變量大小為4個字節。
  • 在64位平臺下，地址是64個比特位，指針變量大小為8個字節。

需要注意的是，指針變量的大小和其類型無關，在相同平臺下，所有指針類型的變量大小都是相同的。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位環境下輸出結果均為4，在64位環境下輸出結果均為8。

三、指針變量類型的意義

雖然指針變量的大小和類型無關，但指針類型有著重要的意義。

3.1 影響解引用的權限

指針的類型決定了對指針解引用時的操作權限，即一次能操作的字節數。例如：

  • char*類型的指針解引用只能訪問1個字節。
  • int*類型的指針解引用能訪問4個字節。

看下面兩段代碼：

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

逐語句調試，代碼運行到15行時。int*可以訪問四個字節，將四個字節都改為0
在這里插入圖片描述

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

逐語句調試，代碼運行到22行時。char*只訪問訪問一個字節，將第一個字節改為0
在這里插入圖片描述

3.2 影響指針 ± 整數的步長

指針的類型決定了指針向前或者向后走一步的距離。例如：

int* + 1 跳過四個字節（int大小），char* + 1 跳過一個字節（char大小）
在這里插入圖片描述

3.3 void* 指針

void*類型的指針可以接受任意類型的地址，可以理解為無具體類型指針（或者叫泛型指針）但它不能直接進行指針的±整數和解引用運算。通常用于函數參數部分，實現泛型編程的效果，以處理多種類型的數據。

四、const修飾指針

4.1 const修飾變量

被const修飾的變量不能直接被修改。

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

此時變量具有常屬性，稱為常變量，但本質依舊是變量而不是常量。

在C++中被const修飾則為常量。

但如果通過指針獲取其地址，還是可以修改該變量的值，這顯然打破了const的限制，所以需要用const修飾指針變量。

在這里插入圖片描述

4.2 const修飾指針變量

  • const放在*的右邊：修飾的是指針變量本身，指針變量不可以再指向其他變量。但可以通過指針修改指向的內容。
int main()
{int a = 10;int b = 20;int * const p = &a;p = &b;//err*p = 100;//可以通過編譯return 0;
}
  • const放在*的左邊：限制指向的內容，不可以通過指針來修改，但可以修改指針指向的變量。
int main()
{int a = 10;int b = 20;int const* p = &a;p = &b;//可以通過編譯*p = 100;//errreturn 0;
}

在這里插入圖片描述

五、指針運算

指針的基本運算有三種：

5.1 指針±整數

原理同本文3.2部分。

由于數組在內存中是連續存放的，知道第一個元素的地址后，通過指針±整數可以訪問數組中的其他元素。

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)); // 通過指針+整數訪問數組元素}return 0;
}

在這里插入圖片描述
注意：

  • *(p+1)不要寫成*p+1，前者表示指針變量+1，后者表示p指向的內容+1
  • 在sizeof()中，輸入數組名arr，計算整個數組的大小。

5.2 指針-指針

通過上述，我們可以明確：

指針1 + 整數 = 指針2

以此推理出

整數 = 指針2 - 指針1

類比“日期 - 日期”，得到之間的天數。兩個指針相減的結果是它們之間的元素個數，常用于計算字符串長度等場景。

  • strlen()求字符串長度，統計字符串\0之前字符個數
  • 數組名arr是數組首元素的地址。arr等價于&arr[0]

模擬實現strlen()函數：

  • 方法1 計數器
int my_strlen(char* s)
{int cnt = 0; //計數器while(*s ！= '\0'){cnt++;str++}return cnt; // 計算兩個指針之間的元素個數，即字符串長度
}
int main()
{printf("%d\n", my_strlen("abc")); //輸出3return 0;
}
  • 方法2 指針 - 指針
int my_strlen(char* s)
{char* p = s;while (*p != '\0')p++;return p - s; // 計算兩個指針之間的元素個數，即字符串長度
}
int main()
{printf("%d\n", my_strlen("abc")); //輸出3return 0;
}

注意：

  • 指針 - 指針 的前提時兩個指針指向同一塊空間！

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"沒有意義，同樣的，“指針 + 指針”也沒有任何意義。

5.3 指針的關系運算

指針與指針比較大小，其實就是地址與地質比較大小。

數組隨下標變大，地址由低變高。

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) // 指針的大小比較，當p指向的地址小于arr+sz(相當于數組最后一個元素的地址)進入循環{printf("%d ", *p);p++;}//輸出 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10return 0;
}

六、野指針

野指針就是指針指向內容是不可知的（不正確、隨機、沒有明確限制）

6.1 野指針成因

  • 指針未初始化：局部變量指針未初始化時，其值是隨機的。
int main()
{ int *p;//此時p是局部變量，指針未初始化，默認為隨機值 *p = 20;return 0;
}
  • 指針越界訪問：指針指向的范圍超出數組等申請的內存空間。
int main()
{int arr[10] = {0};int *p = &arr[0];int i = 0;for(i=0; i<=11; i++){//當指針指向的范圍超出數組arr的范圍時，p就是野指針*(p++) = i;}return 0;
}
  • 指針指向的空間釋放：返回局部變量的地址，該局部變量的空間在函數調用結束后會被釋放。
int* test()
{int n = 100;return &n;
}int main()
{int*p = test();printf("%d\n", *p);//此時test()調用完成，棧幀被銷毀， 內存被釋放return 0;
}

6.2 如何規避野指針

  • 指針初始化：明確指向時直接賦值地址，否則賦值NULL（NULL是值為0的標識符常量，該地址無法使用,讀寫地址也會報錯）。
int main()
{int* p = NULL;*p = 20//err
}
  • 小心指針越界：不訪問超出申請內存范圍的空間。
  • 及時置NULL并檢查：指針變量不再使用時置為NULL，使用前判斷是否為NULL。
  • 避免返回局部變量的地址。

七、assert斷言

assert.h頭文件中的assert()宏用于在運行時確保程序符合指定條件，如果不符合就報錯終止運行。其表達式為真時程序繼續運行，為假時報錯并顯示相關信息。

assert（p != NULL）;//確保 p為有效指針
  • assert()斷言相對if語句的優點：
    • 出現錯誤會直接報錯，指明在什么文件，哪一行
    • 無需修改代碼就可以禁用assert().可以通過在#include <assert.h>前定義NDEBUG宏來禁用assert()語句.
      在這里插入圖片描述
  • 缺點：
    • 引入了額外的檢查，增加了程序運行時間

通常在Debug版本中使用，Release版本中禁用，以不影響程序效率。VS2022中release版會直接禁用assert

八、指針的使用和傳址調用

8.1 strlen的模擬實現

strlen函數用于求字符串長度，統計的是字符串中\0之前的字符個數。模擬實現如下：

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

求出的長度不可能是負數，因此返回值類型使用size_t（無符號整型）更合適，打印應使用zd%作為占位符。

8.2 傳值調用和傳址調用

  • 傳值調用：實參傳遞給形參時，形參創建臨時空間接收實參。形參和實參是獨立的兩個空間。形參只是實參的一份臨時拷貝，對形參的修改不影響實參。

  • 傳址調用：將變量的地址傳遞給函數，函數內部通過地址間接操作主調函數中的變量，可實現對變量的修改。

例如交換兩個整型變量的值，使用傳址調用：

#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("交換前:a=%d b=%d\n", a, b);Swap(&a, &b);printf("交換后:a=%d b=%d\n", a, b);return 0;
}

運行結果：
在這里插入圖片描述

指針是C語言的精華，掌握好指針能讓我們在編程中更加得心應手。希望本文能幫助大家更好地理解指針的相關知識，后續還會有更深入的探討。

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