【C语言基础】:深入理解指针(一)

简介: 【C语言基础】:深入理解指针(一)

一、内存和地址

1. 内存

内存是计算机中用于存储数据和程序的硬件设备,也被称为随机存取存储器(RAM)。内存具有较快的读写速度,用于临时存储当前正在执行的程序和数据。


在计算机系统中,内存扮演着至关重要的角色,它直接影响着计算机的性能和运行效率。以下是一些关于内存的基本信息:


  • 作用:内存用于存储当前正在运行的程序和数据,包括操作系统、应用程序和用户数据等。当计算机启动时,操作系统会将需要的程序和数据加载到内存中,CPU 可以直接从内存中读取和写入数据,而不需要像从硬盘那样慢速地进行输入和输出操作。
  • 易失性:内存是一种易失性存储设备,这意味着当计算机断电或重新启动时,内存中的数据将丢失。因此,重要的数据通常需要保存在持久性存储设备(如硬盘、固态硬盘)中。
  • 访问速度:内存的访问速度通常比硬盘或固态硬盘快得多,这使得计算机能够更快地读取和写入数据,从而提高系统的性能和响应速度。
  • 单位:内存容量通常以字节为单位进行衡量,常见的单位有千兆字节(Gigabyte,GB)和千兆字节(Terabyte,TB)等。

为了更方便理解,我们举一个生活中的小案例:

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。

这里的房间号就相当于地址。


计算机上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。


补充:计算机中常见的单位

一个比特位可以存储一个二进制位的0或1。

bit (比特位)
1 Byte (字节) = 8 bit
1 KB = 1024 Byte
1 MB = 1024 KB
1 GB = 1024 MB
1 TB = 1024 GB
1 PB = 1024 TB
...

其中,每个内存单元,相当于一个学生宿舍,一个字节空间里面能放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。

也可以说:内存单元的编号 == 地址 == 指针


2. 如何理解编址

在计算机科学和计算机网络中,“编址”通常指的是为了标识和定位计算机或网络设备而给它们分配一个唯一的地址。这个地址可以用来在网络中准确定位设备,以便进行数据传输、通信或者其他操作。

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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。

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(&)

在C语言中创建变量其实就是向内存申请空间,比如:

int main()
{
  int a = 10;
  return 0;
}

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在上述代码中,我们创建了一个整型变量a,向内存中申请了4个字节,用来存放整数10,其中每个字节都有一个地址,上面4个字节的地址分别是:

0x0000004B0D2FF984
0x0000004B0D2FF985
0x0000004B0D2FF986
0x0000004B0D2FF987

这里我们用&取地址操作符

int main()
{
  int a = 10;
  &a; // 取a的地址
  printf("%p\n", &a);
  return 0;
}

按我们所学的知识可以知道,打印的结果是:0x0000004B0D2FF984

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虽然整型变量占4个字节,但我们只要知道了第一个字节的地址,就可以顺藤摸瓜访问第4个字节的数据。


2.2 指针变量和解引用操作符(*)

2.2.1 指针变量

我们通过取地址操作符(&)拿到的地址是一个字符,比如:0x0000004B0D2FF984,这个数值我们可以用指针变量把这个数值存储在指针变量中。


int main()
{
  int a = 10;
  int* pa = &a;  // 取出a的地址并存在指针变量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。


2.2.2 如何拆解指针变量

我们看到pa的类型是int*,我们该如何理解指针的类型呢?


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;  // 取出a的地址并存在指针变量pa中

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。


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2.2.3 解引用操作符

在C语言中我们只要拿到了地址(指针), 就可以通过地址找到地址指向的对象,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 = 10;
  int* pa = &a;  // 取出a的地址并存在指针变量pa中
  *pa = 0;
  printf("%d\n", a);
  return 0;
}

*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。


2.3 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。


#include <stdio.h>
int main()
{
  // 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)
  printf("%zd\n", sizeof(int*));
  printf("%zd\n", sizeof(char*));
  printf("%zd\n", sizeof(short*));
  printf("%zd\n", sizeof(double*));
  return 0;
}


x86环境输出结果:

X64环境输出结果:


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。

三、指针变量类型的意义

3.1 指针的解引用

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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。


3.2 指针 ± 整数

通过下面的代码观察地址的变化

#include <stdio.h>
int main()
{
  int n = 10;
  char* pa= (char*)&n;
  int* pi = &n;
  printf("%p\n", &n);
  printf("%p\n", pa);
  printf("%p\n", pa + 1);
  printf("%p\n", pi);
  printf("%p\n", pi + 1);
  return 0;
}

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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。指针+1,其实跳过1个指针指向的元素。指针可以+1,那也可以-1。

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)。


3.3 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】


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。


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使用void*类型的指针接收地址:


int main()
{
  int a = 10;
  void* pa = &a;
  void* pc = &a;
  *pa = 10;
  *pc = 0;
  return 0;
}

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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。

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。


四、const 修饰指针

4.1 const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。

int main()
{
  int n = 0;
  n = 20;  //n可以被修改
  const int m = 10;
  m = 20;  //m不可以被修改
  return 0;
}

上述代码中m是不能被修改的,其实m本质还是变量,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m就行修改,就不符合语法规则,就报错,致使没法直接修改m。


但是如果我们绕过m,使用m的地址,去修改m就能做到了,虽然这样做是在打破语法规则。


#include <stdio.h>
int main()
{
  const m = 0;
  int* p = &m;
  *p = 20;
  printf("%d\n", m);
  return 0;
}


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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?


4.2 const修饰指针变量

一般来讲const修饰指针变量 ,可以放在 * 的左边,也可以放在 * 的右边,意义是不一样的。

int * p;//没有const修饰?
int const * p;//const 放在*的左边做修饰
int * const p;//const 放在*的右边做修饰

通过上面几张图可以看到,const在*号左边和在右边是有着不同作用的。


  • 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。
  • 如果*号的左右两边都放const,既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。又修饰的是指针变量本身,保证了指针变量的内容不能修改。
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