【C语言】指针超详解（一）

原创

fhvyxyci 2024-11-28 13:19:55 博主文章分类：C语言 ©著作权

文章标签 指针变量 #include 操作符 文章分类 C/C++ 后端开发

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@TOC

前言

指针是c语言中最重要也是最难的一个板块，由于指针的内容较多，因此会分成几篇博客来讲解，如果你喜欢这篇博客的话，不妨点个关注，我会尽快更新后续的指针内容！

1. 内存与地址

内存

在讲内存和地址之前，我们想一个生活中的案例：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）

1Byte（字节） = 8bit（比特位）
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门牌号)，有了这个内存单元的编号（注意是只有每个字节才有这个编号），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语言中给地址起中新的名学叫：指针。

【C语言】指针超详解（一）_#include

所以我们可以理解为:

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。

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。

钢琴、吉他上面没有写上“剁、来、咪、发、唆、拉、西”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。

【C语言】指针超详解（一）_#include_02

2. 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。我们来看一个代码：

#include<stdio.h>
int main()
{
	int a = 10;
	return 0;
}

我们通过VS2022进行调试，并观察内存。

【C语言】指针超详解（一）_操作符_03

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：

0x001BFDE0
0x001BFDE1
0x001BFDE2
0x001BFDE3

那么我们怎么得到 a 的地址呢？可以通过 & 操作符来得到。

#include <stdio.h>
int main()
{
 int a = 10;
 &a;//取出a的地址，不过这里没有把它存储起来，这一步实际上是多余的！
 printf("%p\n", &a);
 return 0;
}

（由于每次运行时 a 的地址都会发生改变，因此下面的图例会与上面的内存调试的地址有所不同）

【C语言】指针超详解（一）_操作符_04

按照图中的例子，会打印：006FFD70，也就是说&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，但是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。

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。来看这个代码：

#include<stdio.h>
int main()
{
	int a = 10;
	int* pa = &a;//取出a的地址并将其存储到指针变量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。指针变量的类型为：指针变量指针指向的地址存储的变量的类型*，比如上面的指针变量的类型就是 int*。

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;//这里pa前面的*就不是变量类型了，而是解引用操作符
	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，这步操作是把 a 改成了 0 。当然，你可能会有这样的疑惑：这里如果目的就是把 a 改成 0 的话，写成 a = 0 不就行了？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，就多了一种途径，写代码就会更加灵活随着代码能力的提高，慢慢就可以对此有更深的理解了。

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。我们可以利用sizeof操作符来测试一下。

#include <stdio.h>
//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;
}

【C语言】指针超详解（一）_#include_05

【C语言】指针超详解（一）_指针变量_06

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?其实指针类型是有特殊意义的，接下来进行介绍。

指针的解引用

来对下面这两个代码分别进行调试并观察 pi 中存储的地址：

//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* pi = (char*)&n;
	*pi = 0;
	return 0;
}

通过调试我们可以看到，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)这个权限的大小是与指针指向的类型的大小相同的。 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

来看一段代码：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int n = 10;
	char* pc = (char*)&n;
	int* pi = &n;

	printf("n:   %p\n", &n);
	printf("pc:  %p\n", pc);
	printf("pc+1:%p\n", pc + 1);
	printf("pi:  %p\n", pi);
	printf("pi+1:%p\n", pi + 1);
	return 0;
}

运行结果为：

【C语言】指针超详解（一）_#include_07

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，其实就是跳过1个指针指向的元素。当然，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*。比如这个代码：

#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。编译器会给出一个类型不兼容的警告，而使用 void* 类型就不会有这样的问题。

【C语言】指针超详解（一）_#include_08

我们来使用 void* 指针进行测试：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int a = 10;
	void* pa = &a;
	void* pc = &a;

	*pa = 10;
	*pc = 0;
	return 0;
}

【C语言】指针超详解（一）_指针变量_09

可以看到，编译器没有给出类型不兼容的警告，但是给出了无法解引用的报错。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，在后续的指针博客中我会对其进行详细介绍。

4. const 修饰指针

const 修饰指针指向的变量

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。来看代码：

#include<stdio.h>
int main()
{
	int m = 10;
	m = 1;//m可以被修改
	const int n = 10;
	n = 1;//编译器报错，n 不能被修改
	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 n 实际上也是可以更改的，那就是通过指针变量，来看代码：

#include<stdio.h>
int main()
{
	
	const int n = 10;
	//n = 1;//编译器报错，m 不能被修改
	int* pn = &n;
	*pn = 1;
	return 0;
}

这样就可以绕过 const 的限制对n进行修改了。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?

const 修饰指针变量

const 修饰指针变量，const 既可以放在 * 的左边，也可以放在右边，效果是不一样的。我们通过4个代码来观察 const 的作用。

//1. 无const修饰
void test1()
{
	int m = 10;
	int n = 1;
	int* pm = &m;
	*pm = 10;//可以吗？
	pm = &n;//可以吗？
}

//2. const 在 * 的左边
void test2()
{
	int m = 10;
	int n = 1;
	const int* pm = &m;
	*pm = 10;//可以吗？
	pm = &n;//可以吗？
}

//3. const 在 * 右边
void test3()
{
	int m = 10;
	int n = 1;
	int* const pm = &m;
	*pm = 10;//可以吗？
	pm = &n;//可以吗？
}

//4. const 在 * 右边
void test3()
{
	int m = 10;
	int n = 1;
	const int* const pm = &m;
	*pm = 10;//可以吗？
	pm = &n;//可以吗？
}

最后，我们对这 4 个函数进行调用。

int main()
{
	test1();
	test2();
	test3();
	test4();
	return 0;
}

你可以将这些代码一一复制进编译器运行观察，这里直接说结论：

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。（也就是说 pm=&n 是可以的，*pm=n 是不行的）

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。（也就是说 pm=&n 是不行的，*pm=n 是可以的）

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

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};

【C语言】指针超详解（一）_指针变量_10

#include<stdio.h>
int main()
{
	int arr[10] = { 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(arr + i));//这里就使用了指针+整数
		printf("%d ",arr[i]);//和上面那一行打印的相同
		printf("\n");
	}
	return 0;
}

指针 - 指针

//指针-指针
#include <stdio.h>
int my_strlen(char* s)//模拟实现库函数，计算字符串'\0'之前的字符数
{
	char* p = s;
	while (*p != '\0')
		p++;
	return p - s;
}
int main()
{
	printf("%d\n", my_strlen("abc"));// 3
	return 0;
}

指针 - 指针得到的是两个指针之间的指向元素的个数，只有类型相同的指针可以相减。

注意：指针 + 指针会报错，可以将指针理解为时间（如8:00），时间-时间可以得到两个时间之间的时长（9：00-8:00=1小时），但时间+时间没有意义。

指针的关系运算

指针可以比较大小，可以用来遍历数组时作为循环的结束条件

//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;
}

6. 野指针

野指针是C语言乃至C++中一种十分常见的错误。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）。

野指针的成因

指针未初始化

#include<stdio.h>
int main()
{
	int* p;//局部变量未初始化，默认为随机值
	printf("%d ", *p);
	return 0;
}

当然，上面的代码在一些比较严格的编译器如VS2022上会报错（未初始化局部变量），无法编译！

指针越界访问越界访问是空指针最常出现的方式！

#include<stdio.h>
int main()
{
	int arr[10] = { 0 };
	for (int i = 0; i < 11; i++)
	{
		printf("%d ", *(arr + i));//这里就是越界访问，最后一个数字是随机值
	}
	return 0;
}

指针指向的空间被释放

#include <stdio.h>
int* test()
{
	int n = 100;
	return &n;//由于n会随着函数栈帧的销毁而销毁，所以函数返回的是一个空指针
}
int main()
{
	int* p = test();
	printf("%d\n", *p);
	return 0;
}

注意：在一些编译器下，上面的代码可能会仍然会输出100，但请注意对野指针进行操作是很危险的。

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。在VS2022中按住ctrl，点击NULL可以进入它的定义（注意要包含<stdio.h>）

#ifndef NULL
    #ifdef __cplusplus//C++
        #define NULL 0
    #else
        #define NULL ((void *)0)//在C语言中，NULL是一个指针,这种指针会在以后的博客中介绍
    #endif
#endif

有了NULL，我们就可以这样进行初始化：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int num = 10;
	int* p1 = #
	int* p2 = NULL;
	return 0;
}

如果后面对p2进行解引用操作，就会报错，无法进行编译。

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。特别要注意在使用数组时，循环的结束条件！

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，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。

我们可以把野指针想象成野狗，野狗放任不管是非常危险的，所以我们可以找一棵树把野狗拴起来就相对安全了，给指针变量及时赋值为NULL，其实就类似把野狗栓起来，就是把野指针暂时管理起来。不过野狗即使拴起来我们也要绕着走，不能去挑逗野狗，有点危险；对于指针也是，在使用之前，我们也要判断是否为NULL，看看是不是被拴起来起来的野狗，如果是不能直接使用，如果不是我们再去使用。

示范：

#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;
	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;
}