【C语言】初步解决指针疑惑

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一.理解内存和编址

1.1理解内存

      计算机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。

•        内存被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（byte）。
•        1个比特位（bit）可以存储一个2进制位的1或者0；
•        8个比特位可以存储8个二进制位；
•        4个二进制位表示一个16进制位；

简记为：

       8bit —> 8 二进制 —> 1字节 —> 2个十六进制

       每个内存单元都有一个编号，有了该编号，CPU就可以快速找到一个内存空间。该编号也叫做地址，C语言给地址起了一个新名字，叫：指针。

1.2理解编址

       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。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。

       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。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”连接起来。

       而CPU和内存之间也是有大量的数据交互的。所以，两者必须也用线连接起来。不过，我们今天关心一组线，叫做地址总线。

       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，将数据再通过数据总线传入CPU内寄存器。

二.指针变量和地址

1.1取地址操作符

       在C语言中，创建变量其实就是向内存中申请空间。

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

       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，上图中4个字节的地址分别是：

1. 0x006FFD70
2. 0x006FFD71
3. 0x006FFD72
4. 0x006FFD73

       而想要获得 a 的地址，就得学习一个指针操作符（&）—取地址操作符

#include<stdio.h>
int main()
{
    int a = 10;
    printf("%p\n",&a);
    return 0;
}

       按照我画图的例子，会打印出：006FFD70

&a取出的是a所占4个字节中地址较小的字节的地址，而a是局部变量存储在栈区，而栈区的使用习惯是从高地址到低地址。

       虽然整型变量占用4个字节，但我们只要知道了第一个字节地址，顺藤摸瓜访问到4个字节的数据也是可行的。

三.指针变量和解引用操作符（*）

1.1指针变量

       我们通过取地址操作符(&)拿到的地址是一个数值（编译器会认为是int类型），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，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：

#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;
}

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。

那指针变量的类型是什么呢？

公式：去掉变量名，剩下的就是数据类型了。

如：上述代码中指针变量pa的数据类型就是 int*

如何拆解指针类型？

int a = 10;

int * pa = &a;

我们看到pa的类型是 int* ，我们该如何理解指针的类型呢？

这里pa左边写的是 int* ， * 是在说明pa是指针变量，而前面的 int 是在说明pa指向的是整型(int)类型的对象。

1.2 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(*)。

#include <stdio.h>
int main()
{
    int a = 100;
    int* pa = &a;
    *pa = 0;
    return 0;
}

       上述代码中就使用了解引用操作符（间接访问操作符）， *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=0，这个操作符是把a改成了0.

1.3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，那么指针变量的大小就得是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，指针变的大小就是8个字节。

总：指针变量的大小取决于地址的大小

1. 32位平台下的地址是32个bit位（即4个字节）
2. 64位平台下的地址是64个bit位（即8个字节）
3. 注意指针变量的大小和类型是无关的。只要是指针类型的变量，在相同的平台下，大小都是相同的。

四.指针变量类型的意义

1.1指针的解引用

对比，下面2段代码

//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;
}

       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。

1.2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;
}

       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）

五.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的地址。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;
}

VS2022编译结果：

        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，在后面中我们会讲解。

六.const修饰指针

1.1const修饰变量

       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。

#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，因为具有了常属性，但本质还是变量
    return 0;
}

       上述代码中n是不能被修改的，但其实n本质是变量（在C++中，const修饰的变量就是常量），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进行修改，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);//0
    int*p = &n;
    *p = 20;
    printf("n = %d\n", n);//20
    return 0;
}

1.2const修饰指针变量

#include <stdio.h>
//代码1
void test1()
{
    int n = 10;
    int m = 20;
    int *p = &n;
    *p = 20;//ok? 可以
    p = &m; //ok? 可以
}
void test2()
{
//代码2
    int n = 10;
    int m = 20;
    const int* p = &n;
    *p = 20;//ok?  不可以
    p = &m; //ok?  可以
}
void test3()
{
    int n = 10;
    int m = 20;
    int *const p = &n;
    *p = 20; //ok?  可以
    p = &m; //ok?   不可以
}
void test4()
{
    int n = 10;
    int m = 20;
    int const * const p = &n;
    *p = 20; //ok?  不可以
    p = &m; //ok?   不可以
}
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。（int const* p）
• 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。（int *const p）