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關(guān)于指針

發(fā)布時(shí)間：2019-05-22

計(jì)算機(jī)中所有的數(shù)據(jù)都必須放在內(nèi)存中，不同類型的數(shù)據(jù)占用的字節(jié)數(shù)不一樣，例如 int 占用4個(gè)字節(jié)，char 占用1個(gè)字節(jié)。為了正確地訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)，必須為每個(gè)字節(jié)都編上號(hào)碼，就像門牌號(hào)、身份證號(hào)一樣，每個(gè)字節(jié)的編號(hào)是唯一的，根據(jù)編號(hào)可以準(zhǔn)確地找到某個(gè)字節(jié)。

下圖是 4G 內(nèi)存中每個(gè)字節(jié)的編號(hào)（以十六進(jìn)制表示）：


我們將內(nèi)存中字節(jié)的編號(hào)稱為地址（Address）或指針（Pointer）。地址從 0 開(kāi)始依次增加，對(duì)于 32 位環(huán)境，程序能夠使用的內(nèi)存為 4GB，最小的地址為 0，最大的地址為 0XFFFFFFFF。

下面的代碼演示了如何輸出一個(gè)地址：

#include <stdio.h>
int main(){
int a = 100;
char str[20] = "c.biancheng.net";
printf("%#X, %#X\n", &a, str);
return 0;
}

運(yùn)行結(jié)果：
0X28FF3C, 0X28FF10

%#X表示以十六進(jìn)制形式輸出，并附帶前綴0X。a 是一個(gè)變量，用來(lái)存放整數(shù)，需要在前面加&來(lái)獲得它的地址；str 本身就表示字符串的首地址，不需要加&。

一切都是地址

C語(yǔ)言用變量來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，用函數(shù)來(lái)定義一段可以重復(fù)使用的代碼，它們最終都要放到內(nèi)存中才能供 CPU 使用。

數(shù)據(jù)和代碼都以二進(jìn)制的形式存儲(chǔ)在內(nèi)存中，計(jì)算機(jī)無(wú)法從格式上區(qū)分某塊內(nèi)存到底存儲(chǔ)的是數(shù)據(jù)還是代碼。當(dāng)程序被加載到內(nèi)存后，操作系統(tǒng)會(huì)給不同的內(nèi)存塊指定不同的權(quán)限，擁有讀取和執(zhí)行權(quán)限的內(nèi)存塊就是代碼，而擁有讀取和寫(xiě)入權(quán)限（也可能只有讀取權(quán)限）的內(nèi)存塊就是數(shù)據(jù)。

CPU 只能通過(guò)地址來(lái)取得內(nèi)存中的代碼和數(shù)據(jù)，程序在執(zhí)行過(guò)程中會(huì)告知 CPU 要執(zhí)行的代碼以及要讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)的地址。如果程序不小心出錯(cuò)，或者開(kāi)發(fā)者有意為之，在 CPU 要寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)給它一個(gè)代碼區(qū)域的地址，就會(huì)發(fā)生內(nèi)存訪問(wèn)錯(cuò)誤。這種內(nèi)存訪問(wèn)錯(cuò)誤會(huì)被硬件和操作系統(tǒng)攔截，強(qiáng)制程序崩潰，程序員沒(méi)有挽救的機(jī)會(huì)。

CPU 訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)需要的是地址，而不是變量名和函數(shù)名！變量名和函數(shù)名只是地址的一種助記符，當(dāng)源文件被編譯和鏈接成可執(zhí)行程序后，它們都會(huì)被替換成地址。編譯和鏈接過(guò)程的一項(xiàng)重要任務(wù)就是找到這些名稱所對(duì)應(yīng)的地址。

假設(shè)變量 a、b、c 在內(nèi)存中的地址分別是 0X1000、0X2000、0X3000，那么加法運(yùn)算c = a + b;將會(huì)被轉(zhuǎn)換成類似下面的形式：

0X3000 = (0X1000) + (0X2000);

( )表示取值操作，整個(gè)表達(dá)式的意思是，取出地址 0X1000 和 0X2000 上的值，將它們相加，把相加的結(jié)果賦值給地址為 0X3000 的內(nèi)存

變量名和函數(shù)名為我們提供了方便，讓我們?cè)诰帉?xiě)代碼的過(guò)程中可以使用易于閱讀和理解的英文字符串，不用直接面對(duì)二進(jìn)制地址，那場(chǎng)景簡(jiǎn)直讓人崩潰。

需要注意的是，雖然變量名、函數(shù)名、字符串名和數(shù)組名在本質(zhì)上是一樣的，它們都是地址的助記符，但在編寫(xiě)代碼的過(guò)程中，我們認(rèn)為變量名表示的是數(shù)據(jù)本身，而函數(shù)名、字符串名和數(shù)組名表示的是代碼塊或數(shù)據(jù)塊的首地址。

數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的地址也稱為指針，如果一個(gè)變量存儲(chǔ)了一份數(shù)據(jù)的指針，我們就稱它為指針變量。

在C語(yǔ)言中，允許用一個(gè)變量來(lái)存放指針，這種變量稱為指針變量。指針變量的值就是某份數(shù)據(jù)的地址，這樣的一份數(shù)據(jù)可以是數(shù)組、字符串、函數(shù)，也可以是另外的一個(gè)普通變量或指針變量。

現(xiàn)在假設(shè)有一個(gè) char 類型的變量 c，它存儲(chǔ)了字符 'K'（ASCII碼為十進(jìn)制數(shù) 75），并占用了地址為 0X11A 的內(nèi)存（地址通常用十六進(jìn)制表示）。另外有一個(gè)指針變量 p，它的值為 0X11A，正好等于變量 c 的地址，這種情況我們就稱 p 指向了 c，或者說(shuō) p 是指向變量 c 的指針。

定義指針變量

定義指針變量與定義普通變量非常類似，不過(guò)要在變量名前面加星號(hào)*，格式為：

datatype *name;

或者

datatype *name = value;

*表示這是一個(gè)指針變量，datatype表示該指針變量所指向的數(shù)據(jù)的類型 。例如：

  1. int *p1;

p1 是一個(gè)指向 int 類型數(shù)據(jù)的指針變量，至于 p1 究竟指向哪一份數(shù)據(jù)，應(yīng)該由賦予它的值決定。再如：

  1. int a = 100;
  2. int *p_a = &a;

在定義指針變量 p_a 的同時(shí)對(duì)它進(jìn)行初始化，并將變量 a 的地址賦予它，此時(shí) p_a 就指向了 a。值得注意的是，p_a 需要的一個(gè)地址，a 前面必須要加取地址符&，否則是不對(duì)的。

和普通變量一樣，指針變量也可以被多次寫(xiě)入，只要你想，隨時(shí)都能夠改變指針變量的值，請(qǐng)看下面的代碼：

  1. //定義普通變量
  2. float a = 99.5, b = 10.6;
  3. char c = '@', d = '#';
  4. //定義指針變量
  5. float *p1 = &a;
  6. char *p2 = &c;
  7. //修改指針變量的值
  8. p1 = &b;
  9. p2 = &d;

*是一個(gè)特殊符號(hào)，表明一個(gè)變量是指針變量，定義 p1、p2 時(shí)必須帶*。而給 p1、p2 賦值時(shí)，因?yàn)橐呀?jīng)知道了它是一個(gè)指針變量，就沒(méi)必要多此一舉再帶上*，后邊可以像使用普通變量一樣來(lái)使用指針變量。也就是說(shuō)，定義指針變量時(shí)必須帶*，給指針變量賦值時(shí)不能帶*。

假設(shè)變量 a、b、c、d 的地址分別為 0X1000、0X1004、0X2000、0X2004，下面的示意圖很好地反映了 p1、p2 指向的變化：

需要強(qiáng)調(diào)的是，p1、p2 的類型分別是float*和char*，而不是float和char，它們是完全不同的數(shù)據(jù)類型，讀者要引起注意。

指針變量也可以連續(xù)定義，例如：

  1. int *a, *b, *c; //a、b、c 的類型都是 int*

注意每個(gè)變量前面都要帶*。如果寫(xiě)成下面的形式，那么只有 a 是指針變量，b、c 都是類型為 int 的普通變量：

  1. int *a, b, c;

通過(guò)指針變量取得數(shù)據(jù)

指針變量存儲(chǔ)了數(shù)據(jù)的地址，通過(guò)指針變量能夠獲得該地址上的數(shù)據(jù)，格式為：

*pointer;

這里的*稱為指針運(yùn)算符，用來(lái)取得某個(gè)地址上的數(shù)據(jù)，請(qǐng)看下面的例子：

  1. #include <stdio.h>
  3. int main(){
  4. int a = 15;
  5. int *p = &a;
  6. printf("%d, %d\n", a, *p); //兩種方式都可以輸出a的值
  7. return 0;
  8. }

運(yùn)行結(jié)果：
15, 15

假設(shè) a 的地址是 0X1000，p 指向 a 后，p 本身的值也會(huì)變?yōu)?0X1000，*p 表示獲取地址 0X1000 上的數(shù)據(jù)，也即變量 a 的值。從運(yùn)行結(jié)果看，*p 和 a 是等價(jià)的。

上節(jié)我們說(shuō)過(guò)，CPU 讀寫(xiě)數(shù)據(jù)必須要知道數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的地址，普通變量和指針變量都是地址的助記符，雖然通過(guò) *p 和 a 獲取到的數(shù)據(jù)一樣，但它們的運(yùn)行過(guò)程稍有不同：a 只需要一次運(yùn)算就能夠取得數(shù)據(jù)，而 *p 要經(jīng)過(guò)兩次運(yùn)算，多了一層“間接”。

假設(shè)變量 a、p 的地址分別為 0X1000、0XF0A0，它們的指向關(guān)系如下圖所示：

程序被編譯和鏈接后，a、p 被替換成相應(yīng)的地址。使用 *p 的話，要先通過(guò)地址 0XF0A0 取得變量 p 本身的值，這個(gè)值是變量 a 的地址，然后再通過(guò)這個(gè)值取得變量 a 的數(shù)據(jù)，前后共有兩次運(yùn)算；而使用 a 的話，可以通過(guò)地址 0X1000 直接取得它的數(shù)據(jù)，只需要一步運(yùn)算。

也就是說(shuō)，使用指針是間接獲取數(shù)據(jù)，使用變量名是直接獲取數(shù)據(jù)，前者比后者的代價(jià)要高。

指針除了可以獲取內(nèi)存上的數(shù)據(jù)，也可以修改內(nèi)存上的數(shù)據(jù)，例如：

  1. #include <stdio.h>
  3. int main(){
  4. int a = 15, b = 99, c = 222;
  5. int *p = &a; //定義指針變量
  6. *p = b; //通過(guò)指針變量修改內(nèi)存上的數(shù)據(jù)
  7. c = *p; //通過(guò)指針變量獲取內(nèi)存上的數(shù)據(jù)
  8. printf("%d, %d, %d, %d\n", a, b, c, *p);
  9. return 0;
  10. }

運(yùn)行結(jié)果：
99, 99, 99, 99

*p 代表的是 a 中的數(shù)據(jù)，它等價(jià)于 a，可以將另外的一份數(shù)據(jù)賦值給它，也可以將它賦值給另外的一個(gè)變量。

*在不同的場(chǎng)景下有不同的作用：*可以用在指針變量的定義中，表明這是一個(gè)指針變量，以和普通變量區(qū)分開(kāi)；使用指針變量時(shí)在前面加*表示獲取指針指向的數(shù)據(jù)，或者說(shuō)表示的是指針指向的數(shù)據(jù)本身。

也就是說(shuō)，定義指針變量時(shí)的*和使用指針變量時(shí)的*意義完全不同。以下面的語(yǔ)句為例：

  1. int *p = &a;
  2. *p = 100;

第1行代碼中*用來(lái)指明 p 是一個(gè)指針變量，第2行代碼中*用來(lái)獲取指針指向的數(shù)據(jù)。

需要注意的是，給指針變量本身賦值時(shí)不能加*。修改上面的語(yǔ)句：

  1. int *p;
  2. p = &a;
  3. *p = 100;

第2行代碼中的 p 前面就不能加*。

指針變量也可以出現(xiàn)在普通變量能出現(xiàn)的任何表達(dá)式中，例如：

  1. int x, y, *px = &x, *py = &y;
  2. y = *px + 5; //表示把x的內(nèi)容加5并賦給y，*px+5相當(dāng)于(*px)+5
  3. y = ++*px; //px的內(nèi)容加上1之后賦給y，++*px相當(dāng)于++(*px)
  4. y = *px++; //相當(dāng)于y=(*px)++
  5. py = px; //把一個(gè)指針的值賦給另一個(gè)指針


【示例】通過(guò)指針交換兩個(gè)變量的值。

  1. #include <stdio.h>
  3. int main(){
  4. int a = 100, b = 999, temp;
  5. int *pa = &a, *pb = &b;
  6. printf("a=%d, b=%d\n", a, b);
  7. /*****開(kāi)始交換*****/
  8. temp = *pa; //將a的值先保存起來(lái)
  9. *pa = *pb; //將b的值交給a
  10. *pb = temp; //再將保存起來(lái)的a的值交給b
  11. /*****結(jié)束交換*****/
  12. printf("a=%d, b=%d\n", a, b);
  13. return 0;
  14. }

運(yùn)行結(jié)果：
a=100, b=999
a=999, b=100

從運(yùn)行結(jié)果可以看出，a、b 的值已經(jīng)發(fā)生了交換。需要注意的是臨時(shí)變量 temp，它的作用特別重要，因?yàn)閳?zhí)行*pa = *pb;語(yǔ)句后 a 的值會(huì)被 b 的值覆蓋，如果不先將 a 的值保存起來(lái)以后就找不到了。

關(guān)于 * 和 & 的謎題

假設(shè)有一個(gè) int 類型的變量 a，pa 是指向它的指針，那么*&a和&*pa分別是什么意思呢？

*&a可以理解為*(&a)，&a表示取變量 a 的地址（等價(jià)于 pa），*(&a)表示取這個(gè)地址上的數(shù)據(jù)（等價(jià)于 *pa），繞來(lái)繞去，又回到了原點(diǎn)，*&a仍然等價(jià)于 a。

&*pa可以理解為&(*pa)，*pa表示取得 pa 指向的數(shù)據(jù)（等價(jià)于 a），&(*pa)表示數(shù)據(jù)的地址（等價(jià)于 &a），所以&*pa等價(jià)于 pa。

對(duì)星號(hào)*的總結(jié)

在我們目前所學(xué)到的語(yǔ)法中，星號(hào)*主要有三種用途：

    • 表示乘法，例如int a = 3, b = 5, c;  c = a * b;，這是最容易理解的。
    • 表示定義一個(gè)指針變量，以和普通變量區(qū)分開(kāi)，例如int a = 100;  int *p = &a;。
    • 表示獲取指針指向的數(shù)據(jù)，是一種間接操作，例如int a, b, *p = &a;  *p = 100;  b = *p;。

 

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