C生万物 | 从浅入深理解指针【第一部分】(一)

简介: C生万物 | 从浅入深理解指针【第一部分】

一、内存和地址

1.1 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,如:
  • 一楼:101,102,103…
  • 二楼:201,202,203…
  • 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。

  • 生活中,每个房间有了房间号,就能提高效率,能快速的找到房间。

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):
  • 一个比特位可以存储一个2进制的位1或者0
bit - 比特位
byte - 字节
KB
MB
GB
TB
PB
1byte = 8bit
1KB = 1024byte
1MB = 1024KB
1GB = 1024MB
1TB = 1024GB
1PB = 1024TB
  • 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。
  • 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

1.2 究竟该如何理解编址

  • 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(就如同宿舍很多,需要给宿舍编号一样)。
  • 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。钢琴、吉他面没有写上“都瑞咪发嗦啦”这样的信息,但演奏者照样能够准确找到每一个琴弦的每一个位置,这是为何?因为制造商已经在乐器硬件层面上设计好了,并且所有的演奏者都知道。本质是一种约定出来的共识!硬件编址也是如此~~
  • 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。所谓的协同,至少相互之间要能够进行数据传递。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。

78b7c6171f3a9f7e9fecba4101b91cef_e6a2396ff44141968d9bb5c339a6e79b.png

  • 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,将数据在通过数据总线传入CPU内寄存器。

二、指针变量和地址

2.1 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,比如:

  • 下面这段代码变量创建的本质是什么?
int main() 
{
  int a = 10;
  return 0;
}
  • 变量创建的本质是:在内存上开辟空间~~
    要向内存申请4个字节的空间,存放数据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:
0x005FFC54  0a  
0x005FFC55  00  
0x005FFC56  00  
0x005FFC57  00

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
#include <stdio.h>
int main() {
  int a = 10;
  &a;//取出a的地址
  printf("%p\n", &a);
  return 0;
}
  • 对于a来说,我们那到的是a所占4个字节的第一个地址(地址较小的那个字节的地址)

按照我画图的例子,会打印处理:005FFC54

  • 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。

三、指针变量和解引用操作符(*)

3.1 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。
  • 比如:
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;
}
  • 其中pa叫做指针变量~~,因为是存放指针的变量,所以叫做指针变量
  • 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。

3.2 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?
int a = 10;
int* pa = &a;
  • 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。

  • 那如果有一个char类型的变量ch,ch的地址,要放在什么类型的指针变量中呢?
char ch = 'w';
pc = &ch;//pc 的类型怎么写呢?
  • 既然是char类型的变量,那肯定就要放在char类型的指针变量里~~
char ch = 'w';
char* pc = &ch;

3.3 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。

四、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。
  • 接下来我们再看看下面这个~~
int main()
{
  int num = 10;
  int* p = &num;
  char ch = 'w';
  char* pc = &ch;
  printf("%zd\n", sizeof(p));
  printf("%zd\n", sizeof(pc));
  return 0;
}
  • 我们这里是x86环境下,猜猜这里这个ppc的大小是多少?p是4个字节?pc是1个字节?
  • 让我们来看看~~

  • 可以看到,都是4个字节,指针变量的大小是固定的,不要以为char*类型的就小,看不起char*类型的指针~~

x86环境下为什么char*的指针变量和int*的指针变量都是4个字节呢?

  • 指针变量是干什么呢?是为了存放地址的
  • 那指针变量的大小是取决于存放一个地址需要多大的空间!!!
  • 地址都是32个0/1组成的二进制序列的话,那么存放这个地址需要的空间的大小就是4个字节,所以指针变量的大小都是4个字节~~
  • 同样x64环境,64根地址线,地址就是64个0/1组成的二进制序列,存放这样的地址,需要8个字节,所以指针变量的大小就是8个字节~~
  • 如果不相信,我们在VS中试一下~~
#include <stdio.h>
//指针变量的大小取决于地址的大小
//32位平台下地址是32个bit位(即4个字节)
//64位平台下地址是64个bit位(即8个字节)
int main()
{
  printf("%zd\n", sizeof(char*));
  printf("%zd\n", sizeof(short*));
  printf("%zd\n", sizeof(int*));
  printf("%zd\n", sizeof(double*));
  return 0;
}
  • 32位下:

  • 64位下:

  • 俗话说,不要在门缝里看人,把人看扁了
  • 今天,我要告诉你,不要在门缝里看指针,把指针看扁了~~

结论:

  • 32位平台下地址是32个bit位,指针变量大小是4个字节
  • 64位平台下地址是64个bit位,指针变量大小是8个字节
  • 注意指针变量的大小和类型是无关的,只要指针类型的变量,在相同的平台下,大小都是相同的。

4.1 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~~

4.2 指针的解引用

  • 我们来看下面的两段代码,通过调试来进行分析,观察内存的变化~~

代码一:

#include <stdio.h>
int main()
{
  int n = 0x11223344;
  int* pi = &n;
  *pi = 0;
  return 0;
}

代码二:

#include <stdio.h>
int main()
{
  int n = 0x11223344;
  char* pc = &n;
  *pc = 0;
  return 0;
}
  • 我们按键盘上的F10,如果有的同学是笔记本,就在笔记本上按Fn+F10,开始调试
  • 打开调试->窗口->内存->

  • 我们把这个n的地址取出来放到pi变量里,然后解引用,把n的值改为0,我们可以看一下~~

  • 可以看到,4个字节全部改为了0~~

现在再来看第二个代码~~

  • 我们可以看到我将n的地址放到char*类型的变量里,那能不能放的下?
  • 答案是能!!!刚刚就说过,指针变量都是4个字节,为什么放不下~~
  • 然后我们继续看,*pc = 0,我们这个是修改的几个字节?

  • 我们可以看到,它只修改了一个字节,因为是char*的指针变量

结论:

  1. 指针类型是有意义的
  2. 指针类型是决定了指针在解引用操作时的权限,也就是一次解引用访问几个字节,char*类型的指针解引用访问1个字节,int*类型的指针一次访问4个字节

4.3 指针±整数

  • 我们先来看下面这一段代码~~
#include <stdio.h>
int main()
{
  int n = 0x11223344;
  int* p = &n;
  char* pc = &n;
  printf("p = %p\n", p);
  printf("p + 1 = %p\n", p + 1);
  printf("pc = %p\n", pc);
  printf("pc + 1 = %p\n", pc + 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:

  1. 指针类型是有意义的
  2. 指针类型决定了指针进行+1/-1操作的时候一次跳过几个字节
  3. 指针的类型决定了指针向前或者向后走一步有多大(距离)。

那有的同学会问,指针类型这些特点,怎么是使用呢?

  • 我们之前一个数组是用数组的下标来访问的,今天我们就用指针的方式访问~~

我们先来回忆一下数组的方式~~

int main() {
  int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
  //下标的方式
  int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
  int i = 0;
  for (i = 0; i < sz; i++) {
    printf("%d ", arr[i]);
  }
  return 0;
}

  • 可以看到,我们已经将数组中的元素已经打印出来了~~

我们再用指针的方式来访问~~

  • 我们将arr[0]的地址放入了指针p中,然后再通过for循环中*p找到arr每个的元素,那找到一个元素,还想找下一个元素怎么办?那就要加1,因为p是整形指针,+1跳过4个字节,正好找到下一个元素
int main() {
  int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
  //下标的方式
  int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
  //int i = 0;
  //for (i = 0; i < sz; i++) {
  //  printf("%d ", arr[i]);
  //}
  //指针的方式
  int i = 0;
  int* p = &arr[0];
  for (i = 0; i < sz; i++) {
    printf("%d ", *p);
    p = p + 1;
  }
  return 0;
}
  • 我们可以看到,也全部访问到了~~

  • 那有的同学回说,我不想另外让p+1,我直接*(p+i),这样可以吗?当然可以!!!
int main() {
  int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
  //指针的方式
  int i = 0;
  int* p = &arr[0];
  for (i = 0; i < sz; i++) {
    printf("%d ", *(p + i));
  }
  return 0;

  • 如果不懂的话,我们进行画图理解

相信看完了上面,你对指针类型有一个对应理解~~

C生万物 | 从浅入深理解指针【第一部分】(二):https://developer.aliyun.com/article/1426619

相关文章
C生万物 | 从浅入深理解指针【最后部分】(二)
C生万物 | 从浅入深理解指针【最后部分】(二)
|
3月前
|
存储 C++
C生万物 | 从浅入深理解指针【第三部分】(转移表的实现)
C生万物 | 从浅入深理解指针【第三部分】(转移表的实现)
C生万物 | 从浅入深理解指针【第二部分】(二)
C生万物 | 从浅入深理解指针【第二部分】(二)
|
3月前
|
编译器
C生万物 | 从浅入深理解指针【第二部分】(一)
C生万物 | 从浅入深理解指针【第二部分】 前言: 如果没有看过第一部分的话,推荐先看第一部分,然后再来看第二部分~~
|
3月前
|
C语言 C++
C生万物 | 从浅入深理解指针【最后部分】(一)
C生万物 | 从浅入深理解指针【最后部分】(一)
C生万物 | 从浅入深理解指针【第四部分】(qsort的使用和模拟实现)
C生万物 | 从浅入深理解指针【第四部分】(qsort的使用和模拟实现)
|
3月前
|
机器学习/深度学习 安全 程序员
C生万物 | 从浅入深理解指针【第一部分】(二)
C生万物 | 从浅入深理解指针【第一部分】(二)
|
13天前
|
存储 C语言
C语言 — 指针进阶篇(下)
C语言 — 指针进阶篇(下)
20 0
|
13天前
|
存储 C语言 C++
C语言 — 指针进阶篇(上)
C语言 — 指针进阶篇(上)
26 0
|
19天前
|
存储 程序员 C语言
C语言指针的概念、语法和实现
在C语言中,指针是其最重要的概念之一。 本文将介绍C语言指针的概念、语法和实现,以及如何使用它们来编写高效的代码。
13 0