内存和地址
内存
在讲内存和地址之前,先看一个⽣活中的案例:
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机中,⼜是怎么样呢?
我们知道计算机上 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。
计算机中常⻅的单位:
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⻔牌号),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。
⽣活中我们把⻔牌号也叫地址,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。
内存单元的编号 == 地址 == 指针
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
CPU和内存之间有⼀组线,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232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。
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,⽐如:
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
使用&
操作符得到a的地址
#include <stdio.h> int main() { int a = 10; &a;//取出a的地址 printf("%p\n", &a); return 0; }
照画图的例⼦,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
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个字节的数据就是可行的了。
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。
#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。
指针变量类型
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。
要存储什么类型的对象的地址,指针变量类型就是:对象类型+*
解引用操作符
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,这⾥使用的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6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。
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。
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。
#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; }
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
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,接下来继续介绍。
指针的解引用
//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。
指针±整数
#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。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)
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。
#include <stdio.h> int main() { int a = 10; void* pa = &a; *pa = 10; return 0; }
VS编译代码的结果:
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,在之后博客中会讲解。
const修饰指针
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
我们看下⾯代码,来分析具体分析⼀下:
#include <stdio.h> //代码1 - 测试⽆const修饰的情况 void test1() { int n = 10; int m = 20; int *p = &n; *p = 20;//ok? p = &m; //ok? } //代码2 - 测试const放在*的左边情况 void test2() { int n = 10; int m = 20; const int* p = &n; *p = 20;//ok? p = &m; //ok? } //代码3 - 测试const放在*的右边情况 void test3() { int n = 10; int m = 20; int * const p = &n; *p = 20; //ok? p = &m; //ok? } //代码4 - 测试*的左右两边都有const void test4() { int n = 10; int m = 20; int const * const p = &n; *p = 20; //ok? p = &m; //ok? } 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; }
- 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。
指针运算
指针的基本运算有三种,分别是:
- 指针±整数
- 指针-指针
- 指针的关系运算
指针±整数
因为数组在内存中是连续存放的,只要知道第⼀个元素的地址,顺藤摸⽠就能找到后⾯的所有元素。
#include <stdio.h> //指针+- 整数 int main() { int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}; int *p = &arr[0]; int i = 0; int sz = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]); for(i=0; i<sz; i++) { printf("%d ", *(p+i));//p+i 这⾥就是指针+整数 } return 0; }
指针-指针
//指针-指针 #include <stdio.h> int my_strlen(char *s) { char *p = s; while(*p != '\0' ) p++; return p-s; } int main() { printf("%d\n", my_strlen("abc")); return 0; }
- 必须是同一块内存空间
指针的关系运算
//指针的关系运算 #include <stdio.h> int main() { int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}; int *p = &arr[0]; int sz = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]); while(p<arr+sz) //指针的⼤⼩⽐较 { printf("%d ", *p); p++; } return 0; }
- 指针是地址,说白了就是一组二进制数(为了方便显示的用的是十六进制),那是数就会有大小,即低地址高地址
野指针
概念:野指针就是指针指向的位置是不可知的(随机的、不正确的、没有明确限制的)
野指针成因
- 指针未初始化
#include <stdio.h> int main() { int *p;//局部变量指针未初始化,默认为随机值 *p = 20; return 0; }
- 指针越界访问
#include <stdio.h> int main() { int arr[10] = {0}; int *p = &arr[0]; int i = 0; for(i=0; i<=11; i++) { //当指针指向的范围超出数组arr的范围时,p就是野指针 *(p++) = i; } return 0; }
- 指针指向的空间释放
#include <stdio.h> int* test() { int n = 100; return &n;//函数栈帧使用完销毁 } int main() { int*p = test();//但p还能找到这块空间 printf("%d\n", *p); return 0; }
如何规避野指针
- 指针初始化
如果明确知道指针指向哪⾥就直接赋值地址,如果不知道指针应该指向哪⾥,可以给指针赋值NULL
.
NULL
是C语⾔中定义的⼀个标识符常量,值是0,0也是地址,这个地址是⽆法使⽤的,读写该地址会报错
#include <stdio.h> int main() { int num = 10; int*p1 = # int*p2 = NULL; return 0; }
- 注意指针越界
⼀个程序向内存申请了哪些空间,通过指针也就只能访问哪些空间,不能超出范围访问,超出了就是越界访问。
- 指针变量不再使⽤时,及时置NULL,指针使⽤之前检查有效性
当指针变量指向⼀块区域的时候,我们可以通过指针访问该区域,后期不再使⽤这个指针访问空间的时候,我们可以把该指针置为NULL。因为约定俗成的⼀个规则就是:只要是NULL指针就不去访问, 同时使⽤指针之前可以判断指针是否为NULL。
int main() { int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}; int *p = &arr[0]; int i = 0; for(i=0; i<10; i++) { *(p++) = i; } //此时p已经越界了,可以把p置为NULL p = NULL; //下次使⽤的时候,判断p不为NULL的时候再使⽤ //... p = &arr[0];//重新让p获得地址 if(p != NULL) //判断 { //... } return 0; }
- 避免返回局部变量的地址
如造成野指针的第3个例⼦,不要返回局部变量的地址。
assert断言
assert.h
头⽂件定义了宏 assert()
,⽤于在运⾏时确保程序符合指定条件,如果不符合,就报错终⽌运⾏。这个宏常常被称为“断⾔”。
assert(p != NULL);
⾯代码在程序运⾏到这⼀⾏语句时,验证变量 p 是否等于 NULL 。如果确实不等于 NULL ,程序 继续运⾏,否则就会终⽌运⾏,并且给出报错信息提⽰。
assert() 宏接受⼀个表达式作为参数。如果该表达式为真(返回值⾮零), assert() 不会产⽣任何作⽤,程序继续运⾏。如果该表达式为假(返回值为零), assert() 就会报错,在标准错误 流 stderr 中写⼊⼀条错误信息,显⽰没有通过的表达式,以及包含这个表达式的⽂件名和⾏号。 assert() 的使⽤对程序员是⾮常友好的
使⽤ assert() 有⼏个好处:
它不仅能⾃动标识⽂件和出问题的⾏号
还有⼀种⽆需更改代码就能开启或关闭 assert()
的机制。如果已经确认程序没有问题,不需要再做断⾔,就在 #include
语句的前⾯,定义⼀个宏 NDEBUG
。
#define NDEBUG//关闭assert宏 #include <assert.h>
然后,重新编译程序,编译器就会禁⽤⽂件中所有的 assert() 语句。如果程序⼜出现问题,可以移除这条 #define NDEBUG 指令(或者把它注释掉),再次编译,这样就重新启⽤了 assert() 语 句。
assert()
的缺点是,因为引⼊了额外的检查,增加了程序的运⾏时间。
⼀般我们可以在 Debug 中使⽤,在 Release 版本中选择禁⽤ assert 就⾏,在 VS 这样的集成开发环境中,在 Release 版本中,直接就是优化掉了。这样在debug版本写有利于程序员排查问题, 在 Release 版本不影响⽤⼾使⽤时程序的效率。>
传值调用和传址调用
学习指针的⽬的是使⽤指针解决问题,那什么问题,⾮指针不可呢?
例如:写⼀个函数,交换两个整型变量的值
⼀番思考后,我们可能写出这样的代码:
#include <stdio.h> void Swap1(int x, int y) { int tmp = x; x = y; y = tmp; } int main() { int a = 0; int b = 0; scanf("%d %d", &a, &b); printf("交换前:a=%d b=%d\n", a, b); Swap1(a, b); printf("交换后:a=%d b=%d\n", a, b); return 0; }
结果如下:
我们发现其实没产⽣交换的效果,这是为什么呢?
在中我们就介绍到,形参是实参的一份临时拷贝,改变形参不影响实参,这种调用方式叫做传值调用,是不能实现我们上述要求的。
所以我们需要使用指针进行传址调用
#include <stdio.h> void Swap2(int*px, int*py) { int tmp = 0; tmp = *px; *px = *py; *py = tmp; } int main() { int a = 0; int b = 0; scanf("%d %d", &a, &b); printf("交换前:a=%d b=%d\n", a, b); Swap2(&a, &b); printf("交换后:a=%d b=%d\n", a, b); return 0; }
结论:
传址调⽤,可以让被调函数和主调函数之间建⽴真正的联系,在被调函数内部可以修改主调函数中的变量;
所以当被调函数中只是需要主调函数中的变量值来实现计算,就可以采⽤传值调⽤。
如果函数内部要修改主调函数中的变量的值,就需要传址调⽤。
写在最后
C语言指针是一个重头戏,关于指针的内容会有4-5篇博客,敬请期待喔💕