你不知道的C语言知识（第四期：指针【1】）

2024-09-02 19:52
文章标签 语言 指针 知识 知道 第四期

本文主要是介绍你不知道的C语言知识（第四期：指针【1】），希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

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本期介绍🍖
主要介绍：C语言中一些大家熟知知识点中的盲区，这是第四期，主讲指针方面。

文章目录

  • 1. 内存和地址
    • 1.1 内存
    • 1.2 该如何理解编址
  • 2. 指针类型的意义
    • 2.1 指针的解引用
    • 2.2 指针加减整数
  • 3. const修饰
    • 3.1 const修饰变量
    • 3.2 const修饰指针变量
  • 4. 指针运算
  • 5. 野指针
    • 5.1 指针未初始化
    • 5.2 指针越界访问
    • 5.3 指针指向的空间被释放
  • 6. assert断言
  • 7. 传值调用和传址调用
    • 7.1 传值调用
    • 7.2 传址调用

1. 内存和地址

1.1 内存

  内存是计算机中一个非常重要的存储器，为系统、软件、程序的运行提供了足够的空间。值得注意的是，内存只用于暂时性的存放数据和程序，一旦关闭电源或发生断电，其中的程序和数据将会丢失。
  我们知道CPU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。当下买电脑的时候，内存的容量有8GB、16GB、32GB，面对这么大一块内存空间，该如何高效管理呢？
  面对这么大的一块内存空间，不可能就只存放一个数据的，首先就需要将它划分成一个个小的内存单元，每个内存单元占1个字节的空间用于存放数据，如下图所示。想要准确的找到所需的内存单元该如何是好呢？。在生活中，快递公司想将包裹送到你家，必然需要有你家的地址。同理，只需给每个内存单元编号，通过这个编号就能找到该内存单元。

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  生活中我们把门牌叫做地址，同理在计算机所说的 “地址” 就是指中内存单元的编号，C语言中又给地址起了个新名字 “指针”。所以我们可以理解为：内存单元的编号 == 地址 == 指针。

1.2 该如何理解编址

  计算机内有很多硬件单元，而硬件单元是要相互协同的（协同：指相互之间进行数据的交互）。但是硬件单元之间是相互独立的，故需要用 “线” 将它们连起来，CPU与内存之间就存在着3条线（地址总线，数据总线，控制总线），如下图所示。
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  其中控制总线用于传输CPU是要读取数据、写入数据，地址总线传输需要写入/读取的内存地址，数据总线最后再将数据进行传输，要么读入CPU中要么写入内存空间中。今天主要讲地址总线，思考一下：内存地址的编址是如何通过硬件来实现的呢？
  地址总线具体有多少根线，可以从计算机处理器的位数上知晓，就譬如32位机器就有32根地址线，64位机器就有64根地址线。而每根地址线只有得电、失电两种，转换成数字量就是0、1。那么1根地址线能表示2种状态，2根地址线能表示4种状态，3根地址线能表示8种状态。以此类推，32根地址线就能够表示232种状态，每种状态都代表一个地址，那就是有232个地址，从0X00000000到0XFFFFFFFF（十六进制表示形式）。
  值得注意：32位的地址需要用32个bit位来存放，即4个byte。那么64位的地址，自然需要使用64个bit位来存放，即8个byte。

2. 指针类型的意义

  在相同的平台上，指针变量的大小与类型一点关系都没有。举例：在32位平台上char*、int*、double*指针的大小都是4个字节。问：那为什么还需要存在各种各样的指针类型呢？重定义一个专门用与指针的类型不好吗？

2.1 指针的解引用

  通过指针的*（解引用操作符），可以访问到指针所指向的那个对象，那指针的类型存在的意义会不会在此呢？如下所示案例。
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  当在调试的时候观察内存窗口，会发现int*的指针“解引用”一次能够修改4个字节，而char*型的指针“解引用”一次只能够修改1个字节，如下图所示。
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  结论： 指针的类型决定了，指针在解引用操作的时候一次能够访问空间的大小。

2.2 指针加减整数

  对指针进行+、-整数操作，也就是对地址进行+、-整数操作，是不是只增加/减少几个地址编号，也就是跳过一个内存单元（1个字节空间）？举例如下所示。

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

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  可以看出，整型指针加1后跳过了4个字节，也就是一个整型变量，字符指针加1后跳过了1个字节，也就是一个字符变量。其实指针加1就是跳过了一个指针指向类型的元素。
  结论： 指针的类型决定了指针向前或向后走一步有多大距离。

3. const修饰

3.1 const修饰变量

  const作为C语言中的一个关键字，一般用于修饰某个变量。当变量被const修饰时，那么这个变量就拥有了恒定不变的属性。举例如下。

#include<stdio.h>
int main()
{const int a = 10;a = 100;return 0;
}

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  当想更改已经被const修饰的变量，会发现编译器报错不让修改。这样变量a不就变得跟常量一样了嘛，但这是否就意味着被const修饰的变量就变为常量了？举例如下。

#include<stdio.h>
int main()
{int arr[10] = { 0 };const int n = 10;char str[n] = { 0 };return 0;
}

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  在创建数组时，数组[]内必须是常量表达式，假设const修饰后的变量会转换为常量，那么一定会得到：使用const修饰的变量去创建数组是能够通过。但真正去这么做的时候，编译器就报错了，它不认为const修饰的变量是常量，从这可知const修饰的变量任然是变量。
  结论： const只是赋予变量常属性，本质上其还是变量，并没有变成常量，只是拥有了常量那不可变的性质。

3.2 const修饰指针变量

  值得注意的是，const修饰过变量虽然无法再通过变量名去访问修改该变量，但是可以另辟蹊径通过变量的地址去间接的访问，举例如下。

#include<stdio.h>
int main()
{const int a = 10;int* pa = &a;*pa = 100;printf("%d\n", a);return 0;
}

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  发现指针可以间接的修改const修饰的变量，但问题来了，如果想让变量不被指针间接的修改掉，该这么做呢？答案是：使用const修饰指向变量的指针。一般来说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。

  1. const放在*的左边

  const限制的是*p，意思是不能通过p来改变p指向对象的内容，但是p本身是可以改变的，能指向其他对象。举例如下。

#include<stdio.h>
int main()
{int a = 10;int const * p = &a;*p = 100;return 0;
}

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#include<stdio.h>
int main()
{int a = 10;int b = 20;int const* p = &a;printf("p = &a = %p\n", p);p = &b;printf("p = &b = %p\n", p);return 0;
}

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  1. const放在*的右边：

  const限制的是p，意思是p本身无法改变，不能指向其他对象，但是可以通过p来改变指向对象的内容。举例如下。

#include<stdio.h>
int main()
{int a = 10;int b = 20;int* const p = &a;p = &b;return 0;
}

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#include<stdio.h>
int main()
{int a = 10;int* const p = &a;*p = 100;printf("%d\n", a);return 0;
}

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  当然const在指针变量的*的两边都有时时，例如：const char* const p = &num，这样既修饰的是*p也修饰了p。也就是说指针p既不能改变其所指向对象，也不能通过解引用的方法来改变内容。

4. 指针运算

  指针的基本运算有三种：指针加减整数，指针减指针，指针的关系运算。其中指针加减整数已经讲述过了，不再多赘述。指针的关系运算顾名思义就是：指针跟指针之间的比大小，也就是地址之间的比大小。比较难理解的是指针减指针运算，那该怎么理解呢？如下所示。
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  首先，我们知道指针加减整数会得到一个新的指针，转换公式：指针减指针会得到一个正负整数，如上图所示。那么指针减指针得到的这个整数究竟代表什么？
  答案： 元素的个数，指针与指针之间元素的个数。举个例子：通过指针减指针实现求字符串长度。

#include<stdio.h>
int my_strlen(char* str)
{char* head = str;char* end = str;while (*end != '\0'){end++;}return end - head;
}
int main()
{char str[] = "hello world";int sz = my_strlen(str);printf("字符串长度 = %d\n", sz);return 0;
}

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  指针减指针运算的前提是，两个指针的类型相同，并且指向同一块空间。指针减指针的绝对值，求的是两个指针之间的元素个数。

5. 野指针

  野指针就是：指针指向的位置是不可知的、随机的、没有明确限制的。最为常见的产生野指针的情况有三种：指针未初始化，指针越界访问，指针指向的空间被释放。

5.1 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;
}

  为了避免这种情况出现，可以在创建一个暂时不需要使用的指针时，初始化该指针为NULL（空指针）。NULL是C语言中定义的一个标识符常量，值为0，地址为0x00000000。这个地址是无法访问的，读写该地址就会报错。
  当然只初始化为空指针是不够的，在使用指针之前还是需要对其进行是否有效的判断，即判断是否不为NULL，只有不为空才能进行读写操作。当后期不再使用某指针访问空间的时候，就应该把该指针置为NULL。举例如下。

#include<stdio.h>
int main()
{int* p = NULLif(p != NULL){...}return 0;
}

5.2 指针越界访问

#include<stdio.h>
int main()
{int arr[10] = {0};int* pa = arr;int i = 0;for(i = 0; i < 15; i++){*pa = i;pa++;//当指针指向的范围超出arr数组范围时，pa就是野指针}return 0;
}

  指针越界访问是指：访问了不属于你的空间，也就是那些没有申请的空间。指针越界访问是无法避免的，程序员只能说尽量避免去写越界访问的程序。

5.3 指针指向的空间被释放

#include<stdio.h>
int* test()
{int n = 100;return &n;
}
int main()
{int* p = test();printf("%d\n", *p);
}

  函数不能返回函数内部定义的局部变量的地址。

6. assert断言

  assert(表达式)是一个宏，常常被称为：断言，使用这个宏需要引用<assert.h>头文件。如果表达式为真，assert不会有任何动作；如果表达式为假，assert就会果断报错终止运行程序。报错的信息会包含没有通过的表达式，以及包含这个表达式的文件名和行号。举例如下。

#include<assert.h>
#include<stdio.h>
int main()
{int a = 0;assert(a != 0);printf("%d\n", a);return 0;
}

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  assert的使用对程序员是非常友好的，它不仅能自动标识文件地址和出问题的行号，还能做到无需更改代码，就能关闭assert的机制。如果已经确定程序没有问题，不需要再做断言，只需在#include<assert.h>语句前定义一个宏NDEBUG，就能关闭所有断言。举例如下。

#define NDEBUG
#include<assert.h>
#include<stdio.h>
int main()
{int a = 0;assert(a != 0);printf("%d\n", a);return 0;
}

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  值得注意，在Release版本中assert直接就被优化掉了，不会执行。因为assert的缺点是引入了额外的检查，增加了程序的运行时间，影响用户的体验。但在Debug中assert可以使用排查问题。

7. 传值调用和传址调用

7.1 传值调用

  首先思考一个问题：如果想让函数一次返回2个参数该怎么做？return能做到吗？做不到，因为return返回参数是通过eax寄存器返回的，只能做到返回一个参数。那该怎么办？能够通过函数的参数返回吗？如下所示。

#include<stdio.h>//交换两个参数里面的值
void exchange(int x, int y)
{int tmp = 0;tmp = x;x = y;y = tmp;
}int main()
{int a = 10;int b = 20;printf("a = %d, b = %d\n", a, b);exchange(a, b);printf("a = %d, b = %d\n", a, b);return 0;
}

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  当交换函数内的两个形参，函数外实参会发生变化吗？如上图所示。不会发生任何变化，那为什么不会改变呢？那是因为调用函数时，传递过去的形参和实参不是同一块内存空间，改变形参实参自然不会发生变化。如下所示。
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  结论： 函数传参时，形参只是实参的一份临时拷贝，形参发生变化，实参是不会跟着改变的，因为两者不在同一块空间。

7.2 传址调用

  传值调用无法做到传递两个参数出来，那如果将传递的参数变为变量的地址呢？这样函数内部不就可以间接的访问到函数外部的参数了嘛。如下所示。

#include<stdio.h>
void exchange(int* pa, int* pb)
{int tmp = 0;tmp = *pa;*pa = *pb;*pb = tmp;
}int main()
{int a = 10;int b = 20;printf("a = %d, b = %d\n", a, b);exchange(&a, &b);printf("a = %d, b = %d\n", a, b);return 0;
}

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  可以看出，传址调用可以让主调函数和被调函数之间建立真正的联系，在被调函数内存可以修改主调函数中的变量。如下图所示。
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这篇关于你不知道的C语言知识（第四期：指针【1】）的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/1130912。

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