1. 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。
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，每个内存单元都有一个编号。
为什么每个内存单元的大小是一个字节呢? 这里主要是因为C语言中最小的类型是char只占用了一个字节，所以规定一个内存单元一个字节比较方便。
计算机中常⻅的单位（补充）：
⼀个⽐特位可以存储⼀个2进制的位1或者0
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。
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
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。
cpu如果想对内存条进行控制，首先要确定要把内存中的数据读入到从cpu里，还是把cpu内部处理的结果写入到内存中，一般是先把内存中的数据读入到cpu里面，然后，把处理完的结果在写入到内存中，然后再把内存中的数据写入到硬盘里。所以，我们就需要知道cpu它到底是从内存条里面读数据，还是向内存写数据，这个就是由控制线控制的。那么数据线是干什么的呢？不管是把内存中的数据发送到我们的cpu，还是把cpu的数据发到内存条，必须要有个渠道，那么数据线就是用于数据的传输，但数据传输的方向不是由数据线控制的，数据传输的方向是由控制线控制的。因为，内存中有很多内存单元，那么如果要确定要把那个内存单元中的数据读入到cpu里，或者要把cpu处理的结果放到那一块内存单元里该怎么办呢？这时候就由地址线进行控制了。
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，每个内存单元都有编号，但是这些编号不会存起来，这些编号都是通过地址线产生的。
对于32位的机器，假设有32根地址线，那么假设每根地址线在寻址的时候产生高电平（高电压）和低电平（低电压）就是（1或者0）这两种状态。
那么32根地址线产生的地址就会是：
00000000 00000000 00000000 00000000
00000000 00000000 00000000 00000001
...
11111111 11111111 11111111 11111111因为，每个地址线可以控制两种状态，那么两根地址线就可以控制（00，01，10，11）这4种状态，那么三根线就可以控23 种状态，如果有32根地址线通过排列组合就可以控制232种状态，这里我们要知道230bite就是1G。那么，232bite就是4G。所以，32位的机器能管理0~4G - 1编号的内存单元也就是4G。
总结：
- 内存被划分位一个个的单元，一个内存单元的大小是一个字节。
- 每个内存单元都有一个编号，这个编号就是地址，C语言种又把地址又称为：指针。
内存单元的编号 == 地址 == 指针
2. 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：
#include <stdio.h>
int main()
{
int a = 0x11223344;//因为内存中的数据默认用十六进制表示，这样写方便观察
printf("%p", &a);//&a取出a的地址
return 0;
}64位环境下，通过监视里面的内存窗口可以看到：
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，⽤于存放十六进制整数0x11223344，其中每个字节都有地址，上图中4个字节的地址分别是：
0x000000753B0FF9E4
0x000000753B0FF9E5
0x000000753B0FF9E6
0x000000753B0FF9E7内存布局如图所示:
然后，我们把a的地址打印出来：
我们可以看到这里打印的是第一个字节的地址，所以，&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，就可以依次访问到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
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：
#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。
指针要理解的2个要点：
- 指针是内存中一个最小单元的编号，也就是地址
- 平时口语中说的指针，通常指的是指针变量，是用来存放内存地址的变量
总结：指针就是地址，口语中说的指针通常指的是指针变量。
2.2.2 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;
假设a的地址如图所示，我们取出这&a其实取出的是第一个字节的地址0x10，当我们把这个地址存起来的时候，就会在内存中创建一个变量pa，它里面存放的是a的地址0x10，然后，我们就可以通过pa找到a，所以我们形象的说pa指向了a的起始位置。
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？
//应该这样写
char* pc = &ch;2.2.3 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;
printf("%d", a);
return 0;
}运行结果如图：
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。有人肯定在想，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。
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>
//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位环境下，运行结果如图：
64位环境下，运行结果如图所示：
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。
3. 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？
3.1 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。
//代码1
#include <stdio.h>
int main()
{
int a = 0x11223344;
int* pi = &a;
*pi = 0;
return 0;
}在VS2022，64位环境下，通过调试的内存窗口可以看到如下
在执行完int a = 0x11223344后把a的值放到内存中
在执行完*pi = 0后a内存中的值如图：
//代码2
#include <stdio.h>
int main()
{
int a = 0x11223344;
char* pc = (char*) & a;
*pc = 0;
return 0;
}在执行完int a = 0x11223344后把a的值放到内存中
在执行完*pc = 0后a内存中的值如图：
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
先看⼀段代码，调试观察地址的变化。
#include <stdio.h>
int main()
{
int a = 10;
int* pa = &a;
char* pc = (char*)&a;
printf("pa = %p\n", pa);
printf("pc = %p\n", pc);
printf("pa+1 = %p\n", pa+1);
printf("pc+1 = %p\n", pc+1);
return 0;
}运行结果如图：
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。画图演示：
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。
#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。
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。
#include <stdio.h>
int main()
{
int a = 10;
void* pa = &a;
void* pc = &a;
return 0;
}如图所示：
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;//err
*pc = 20;//err void类型的指针不能直接进行解引用操作
pv++;//void* 类型的指针也不能+-1的操作
return 0;
}如图所示：
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*
4. 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。
#include <stdio.h>
int main()
{
int m = 0;
m = 20;//m是可以修改的
const int n = 0;//a不能被修改了，但是a的本质还是变量
n = 20; //n是不能被修改的，这样会报错
return 0;
}上述代码中n是不能被修改的，其实n本质是变量，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n就⾏修改，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 a = 10;
int* pa = &a;
*pa = 0;
printf("%d", a);
return 0;
}运行结果如图:
把const的位置放在int左边也是可以的
#include <stdio.h>
int main()
{
int const a = 10;
int* pa = &a;
*pa = 0;
printf("%d", a);
return 0;
}我们可以看到这⾥确实修改了，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？
#include <stdio.h>
int main()
{
const int a = 10;
const int* pa = &a;
*pa = 0;//err
printf("%d", a);
return 0;
}这样就不能通过指针变量pa来修改a的内容了，const也可以放在int左边
#include <stdio.h>
int main()
{
const int a = 10;
int const * pa = &a;
*pa = 0;//err
printf("%d", a);
return 0;
}const修饰指针的时候，const可以放 \* 的左边，也可以放在 \* 的右边
*const放在*的左边限制的是\p，意思是不能通过指针变量修改p指向的内容，但是p是不受限制的。
#include <stdio.h>
int main()
{
const int a = 10;
int const *pa = &a;
//*pa = 0;//err
int b = 20;
pa = &b; //ok
printf("%d", a);
return 0;
}const放在 * 的右边限制的是p变量，意思是p变量不能被修改了，没办法在指向其它变量了，但是*p不受限制，还是可以通过p来修改p所指向的对象的内容。
#include <stdio.h>
int main()
{
const int a = 10;
int * const pa = &a;
*pa = 0;//ok
int b = 20;
//pa = &b; //err
printf("%d", a);
return 0;
}这样p和*p都被限制了。
#include <stdio.h>
int main()
{
const int a = 10;
const int * const pa = &a;
*pa = 0;//err
int b = 20;
//pa = &b; //err
printf("%d", a);
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。
- 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。
5. 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
5.1 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。
int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
#include <stdio.h>
int main()
{
int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
//使用指针打印数组的内容
int* p = &arr[0];
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", *p);
p++;
}
}运行结果如图:
也可以这样写
#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;
}如果想倒着打印数组的内容可以这样写:
#include <stdio.h>
int main()
{
int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
int* p = &arr[9];
int i = 0;
int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
for (i = 0; i < sz; i++)
{
printf("%d ", *(p - i));
}
return 0;
}运行结果如图:
5.2 指针 - 指针
#include <stdio.h>
int main()
{
int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
printf("%d\n", &arr[9] - &arr[0]);//指针 - 指针得到的是指针和指针的元素个数
}运行结果如图:
补充:两个数相减得到的是两个数之间的元素个数减一
比如:3 - 1 = 2，1 ~ 3之间一共有3个数
#include <stdio.h>
int main()
{
int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
printf("%d\n", &arr[0] - &arr[9]);//指针减指针的绝对值是指针和指针之间的元素个数
//指针 - 指针的前提条件是: 两个指针指向同一块空间
}运行结果如图:
模拟实现strlen函数求字符串长度
方法一：
size_t my_strlen(char* str)
{
int count = 0;
while (*str != '\0')
{
count++;
str++;
}
return count;
}
int main()
{
char arr[] = "abcd";
size_t ret = my_strlen(arr);
printf("%zd", ret);
return 0;
}运行结果如图：
方法二：
size_t my_strlen(char* str)
{
char* start = str;
while (*str != '\0')
{
str++;
}
return str - start;
}
int main()
{
char arr[] = "abcd";
size_t ret = my_strlen(arr);
printf("%zd", ret);
return 0;
}运行结果如图：
5.3 指针的关系运算
其实就是指针比较大小（地址比较大小）
//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 i = 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;
}运行结果如图：
6. 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）
6.1 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;
printf("%d\n", *p);
return 0;
}- 指针越界访问
#include <stdio.h>
int main()
{
int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
int *p = &arr[0];
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
//当指针指向的范围超出数组arr的范围时，p就是野指针
printf("%d ", *(p++));
}
return 0;
}- 指针指向的空间释放
int* test()
{
int a = 10;
return &a;
}
#include <stdio.h>
int main()
{
int* p = test();
printf("%d\n", *p);
return 0;
}6.2 如何规避野指针
6.2.1 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。
通过转到定义可以看到：
这段代码的意思是在C++中NULL其实就是数字0，在其他情况NULL表示的是(void*)0，即把0强制类型转换成void* 类型的指针。
初始化如下：
#include <stdio.h>
int main()
{
int num = 10;
int* p1 = #
int* p2 = NULL;
return 0;
}6.2.2 小心指针越界
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。
6.2.3 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] = { 1,2,3,4,5,67,7,8,9,10 };
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;
}6.2.4 避免返回局部变量的地址
不要返回局部变量的地址。
