前言:穿越迷雾,探索C语言指针的奇幻之旅

简介: 前言:穿越迷雾,探索C语言指针的奇幻之旅

各位少年,大家好,我是博主那一脸阳光,今天给大家分享指针,内存和地址的使用,以及使用。

前言:

在编程的世界中,若论灵活多变、深邃神秘的角色,非“指针”莫属。如同哈利波特手中的魔杖,它赋予了C语言强大的魔法力量,能够直接操控内存空间,实现数据与功能的高效交互。对于许多初识C语言的开发者来说,指针可能像是一扇半掩的门,背后隐藏着令人既好奇又畏惧的秘密花园。

然而,只有深入理解并熟练掌握指针这一核心概念,才能真正领略到C语言的魅力所在——从底层内存管理到高级数据结构构建,从函数调用机制到复杂系统设计,指针无处不在,发挥着举足轻重的作用。这段奇妙的旅程将带你拨开指针表面的层层迷雾,揭示其背后的运行机制与应用技巧,助你在编程领域修炼出更为深厚扎实的内功,为驾驭C语言这艘巨轮驶向技术海洋的更深处奠定坚实基础。

指针变量的意义

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?

其实指针类型是有特殊意义的,我们接下来通过指针的解引用来探讨。

int main()
{
int a=100;
int*pa=&a;
double p=3.14;
return 0;
}

指针的解引用

对比,下面2段代码,主要在调试时观察内存的变化

//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;
}

上两段C语言代码中有什么其意呢?

调试我们可以看到,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。

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;
}

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。

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)。

#include<stdio.h>
int main()
{
int arr[10] = { 0 };
int i = 0;
int* p = &arr[0];
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*p = 1;
p =p+1;
}
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", arr[i]);
}
return 0;
}

这段C语言代码主要功能是初始化一个整型数组,并通过指针遍历并修改数组的元素值,最后输出整个数组的内容。下面是对代码逐行详细解析:

C
#include<stdio.h>
引入标准输入输出库(stdio.h),使得程序可以使用printf等输入输出函数。
C
int main()
{
定义主函数main(),它是程序执行的入口点。
C
    int arr[10] = { 0 };
声明并初始化一个包含10个整数元素的数组arr,所有元素初始值均为0。
C
    int i = 0;
    int* p = &arr[0];
定义一个整数变量i并初始化为0,用于后续循环计数。
定义一个指向整型的指针变量p,并将其初始化为指向数组arr的第一个元素(arr[0])的地址。
C
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        *p = 1;
        p = p + 1;
    }
使用for循环,当i从0递增到9时:
*p = 1;:将当前指针p所指向的内存位置(即数组arr的当前元素)赋值为1。
p = p + 1;:使指针p向前移动一位,即指向数组的下一个元素。
这个循环结束后,数组arr的所有元素都会被设置为1。
C
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
再次使用for循环,从0到9遍历数组arr的所有元素,并使用printf打印每个元素的值,
元素间用空格分隔。
C
    return 0;
}
主函数返回0,表示程序执行成功。
总结来说,这段代码首先定义了一个全零数组,
然后通过指针遍历数组并将每个元素都赋值
为1,最后输出了已赋值后的数组内容,
结果应该是连续的10个“1”。
int main()
{
int a=10;
char ch='w';
void* pv=&a;
void*pv2=&ch;
}

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。

举例:

#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。

使⽤void*类型的指针接收地址:

#include <stdio.h>
int main()
{
 int a = 10;
 void* pa = &a;
 void* pc = &a;
 
 *pa = 10;
 *pc = 0;
 return 0;
}

VS编译代码的结果:

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。

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,在接下来中中我们会分享。

const修饰指针

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。

```c
#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;
}

输出结果:

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?

const修饰指针变量

我们看下⾯代码,来分析

#include <stdio.h>
//代码1
void test1()
{
 int n = 10;
 int m = 20;
 int *p = &n;
 *p = 20;//ok?
 p = &m; //ok?
}
void test2()
{
 //代码2
 int n = 10;
 int m = 20;
 const int* p = &n;
 *p = 20;//ok?
 p = &m; //ok?
}
void test3()
{
 int n = 10;
 int m = 20;
 int *const p = &n;
 *p = 20; //ok?
p = &m; //ok?
}
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修饰指针变量的时候

• 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。

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

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

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;
}

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;
}

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)

野指针成因

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;
}
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;
}
3. 指针指向的空间释放
#include <stdio.h>
int* test()
{
 int n = 100;
 return &n;
}
int main()
{
 int*p = test();
 printf("%d\n", *p);
 return 0;
}
如何规避野指针

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。

#ifdef __cplusplus
 #define NULL 0
 #else
 #define NULL ((void *)0)
 #endif

初始化如下:

#include <stdio.h>
int main()
{
 int num = 10;
 int*p1 = &num;
 int*p2 = NULL;
 
 return 0;
}

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。

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。

我们可以把野指针想象成野狗,野狗放任不管是⾮常危险的,所以我们可以找⼀棵树把野狗拴起来,

就相对安全了,给指针变量及时赋值为NULL,其实就类似把野狗栓前来,就是把野指针暂时管理起

来。

不过野狗即使拴起来我们也要绕着⾛,不能去挑逗野狗,有点危险;对于指针也是,在使⽤之前,我

们也要判断是否为NULL,看看是不是被拴起来起来的野狗,如果是不能直接使⽤,如果不是我们再去

使⽤。

int main()
{
 int arr[10] = {1,2,3,4,5,67,7,8,9,10};
 int *p = &arr[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;
}
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。

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”。

1 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 。

#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 NDBUG 指令(或者把它注释掉),再次编译,这样就重新启⽤了 assert() 语

句。

t() 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。

8. 指针的使⽤和传址调⽤

8.1 strlen的模拟实现

库函数strlen的功能是求字符串⻓度,统计的是字符串中 \0 之前的字符的个数。

函数原型如下:

1 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,最终返回⻓度。

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。

参考代码如下:
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;
}

8.2 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:

#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;

当我们运⾏代码,结果如下:

我们发现其实没产⽣交换的效果,这是为什么呢?

调试⼀下,试试呢?

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,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的没法交换。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我们之前在函数的时候就知道了,这

种叫传值调⽤。

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Swap是失败的了。

那怎么办呢?

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的值交换了。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

函数⾥边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 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);
 Swap1(&a, &b);
 printf("交换后:a=%d b=%d\n", a, b);
 return 0;
}

⾸先看输出结果:

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。

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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