深入理解指针(一)-1

简介: 深入理解指针(一)

内存和地址


内存

在讲 内存和地址 之前,我们想有个生活中的案例:

假设有⼀栋宿舍楼,把你放在楼里,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,

有了 房间号 ,如果你的朋友得到房间号,就可以快速的找房间,找到你。

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如果把上面的例子对照到计算中,又是怎么样呢?

我们知道计算上 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,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

计算机中常见的单位(补充):


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其中,每个 内存单元 ,相当于一个 学生宿舍 ,一个人字节空间里面能放 8个比特位 ,就好比同学们住的 八人间 ,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。

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生活中我们把门牌号也叫地址,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


如何理解编址

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。

不过,我们今天关心一组线,叫做 地址总线 。

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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。


指针变量和地址


取地址操作符(&)

理解了内存和地址的关系,我们再回到C语言,在C语言中创建变量其实就是向内存申请空间


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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:

0x006FFD70

0x006FFD71

0x006FFD72

0x006FFD73


那我们如何能得到a的地址呢?

这里就得学习⼀个操作符(&)-取地址操作符


按照我画图的例子,会打印处理:006FFD70

&a 取出的是a所占4个字节中 地址较小的字节的地址 。

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虽然整型变量占用4个字节,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。


指针变量和解引用操作符(*)


指针变量

那我们通过 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。

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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。


如何拆解指针类型

我们看到pa的类型是 int* ,我们该如何理解指针的类型呢?


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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 。


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(*) 。

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上面代码中第7行就使用了解引用操作符, *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.


有同学肯定在想 ,这里如果目的就是把a改成0的话,写成 a = 0; 不就完了,为啥 非要使用指针呢?

其实这里是把a的修改交给了pa来操作,这样 对a的修改 ,就多了一种的途径, 写代码就会更加灵活 ,后期慢慢就能理解了。


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, 指针变量的大小就是8个字节 。

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指针变量类型的意义

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 ,我们接下来继续学习


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




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

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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)。


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。



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:


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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。

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