【C语言】初步解决指针疑惑

简介: 【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)


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