灵魂指针，教给（一）

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系列专栏 C语言知识

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一、内存和地址

1.1 内存

在介绍知识之前，先来想一个生活中的小栗子：

假如把你放在一个有100间屋子的酒店里，但是没有门牌号，你想让你的好朋友来找你玩，这种情况好朋友就得一个房间一个房间去找，非常的麻烦。但是如果有了门牌号，我们就可以告诉好朋友，他就可以迅速精准地找到你所在的房间。

把上述的栗子，映射到计算机上，就成为了我们今天所介绍的内存。

我们知道，在计算上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，处理后的数据也是会放回内存中。我们在买电脑的时候，内存会有8GB/16GB/32GB等等，这些内存是如何高效管理的呢？

事实上，也是通过把内存划分为一个个的小单元格，每个单元格的大小取1个字节。

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门牌号），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，我们把门牌号叫作地址，计算机中也不例外，我们刚说了内存就像宿舍，就像屋子，那它的编号（门牌号）就是它的地址。而在C语言里，我们给它取了个新的名字——指针。

所以我们可以理解为：

内存单元的编号 == 地址 == 指针

1.2 如何理解编址

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。

钢琴、吉他上⾯没有写上“都瑞咪发嗦啦”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！

硬件编址亦是如此。

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。

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。

二、指针变量和地址

2.1 取地址操作符（&）

我们在操作符那里挖了个坑，详见：

武器大师——操作符详解（下）-CSDN博客

理解了内存与指针的关系，我们再回到C语言，在C语言中创建变量的过程其实本质就是向内存申请空间，eg：

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

上述代码，我们创建了整型变量a，我们知道整型是4个字节，所以向内存申请了这四个空间：

0x006FFD70
0x006FFD71
0x006FFD72
0x006FFD73

我们如何得到a的地址呢？这里用到了取地址操作符（&），长得像我们之前学过的按位与。

#include <stdio.h>
int main()
{
 int a = 10;
 &a;//取出a的地址
 printf("%p\n", &a);
 return 0;
}

虽然我们整型占用四个字节，但是实际上我们只需要知道第一个字节的地址，就可以顺藤摸瓜获取接下来的地址。

2.2 指针变量与解引用操作符（*）

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。eg：

#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。

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;

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。

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;
 return 0;
}

上述代码第7行就使用了解引用，*pa其实就是表示的指针指向的对象，也就是变量a，这步操作相当于把a的值改成了0。有人会问道：“那我直接改a=0不是更简单嘛，为什么非要写一个指针呢？”，其实这样对a多了一种途径，会让你的代码更有灵活性和可操作性。

2.3 指针变量的大小

这里先说结论：32位处理器（x86）下是4个字节，64位处理器（x64）下是8个字节。

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;
}

x86环境下结果：

x64环境下结果：

注意指针变量的大小跟类型无关！只要是指针类型的变量，在相同的平台下，大小是相同的。

三、指针变量类型的意义

既然我们前面说了，指针变量的大小在相同的平台下是相同的，那不同类型的指针变量有什么意义呢？

3.1 指针的解引用

我们来看下面两段代码：

//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;
}

经过调试我们可以看到，代码1将n的4个字节全改为0，而代码2只改了一个字节。

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

#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;
}

我们直接看上述代码以及结果：

我们可以看出，char*类型的指针变量+1的话，跳过了1个字节，而int*类型的跳过了4个字节。这就是指针类型导致的变化。

结论：指针的类型决定了指针向前或向后走的距离有多大

3.3 void*指针

这是一种特殊类型的指针，void 译为无效、空的，可以理解为无具体类型的指针或者泛型指针，我们在前面学过void类型的函数。它可以接收任意类型的地址，但是我们说人无完人，它也有局限性的，它不可以进行+-以及解引用的操作。

来举个例子：

#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。

使用void*接收：

#include <stdio.h>
int main()
{
 int a = 10;
 void* pa = &a;
 void* pc = &a;
 
 *pa = 10;
 *pc = 0;
 return 0;
}

一般void*类型的指针是用在函数参数的部分的，我们以后也会讲到（又挖个坑 *^▽^* ）。

四、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;
 n = 20;//n是不能被修改的
 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。

但是我们如果绕过n，使用n的地址，去修改n，就可以做到了：

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

来看运行结果：

我们可以看到这⾥⼀个确实修改了，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？

4.2 const修饰指针变量

这里讲个小故事，说有一对小情侣在逛街，女生想吃凉皮，一碗凉皮十块钱，但是男生兜里只有十块钱，女生看了看男生，男生说凉皮一看就不好吃，女生说你要是不想买，我就换男朋友，男生着急了，一狠心说了句，买可以但是你不可以换男朋友，女生点了点头，最后他们幸福的生活在了一起。

这个故事其实就类似于const修饰指针变量。

int *const p;
int const* p;

我们把p看成钱，第一行代码就是，const放在右边，修饰限制指针p所指向的值，这个值不可以更改，就像刚开始，男生不想动自己仅剩的钱。

第二行，const放在左边，就可以看成，男生不想让女生换对象，const修饰限制p指向的对象不可以变。

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。

五、指针运算

指针运算一共分为三种：指针+-运算、指针-指针、指针的关系运算。

5.1 指针+-整数

由于数组在内存中的存放是连续的，我们根据这一特性，只要知道第一个元素的地址，就可以顺藤摸瓜得到任意想要的元素，这就是指针的灵活性所在。

#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;
}

这里主要看的是p所指向的对象类型，第6行写道，p指向的是arr[0]，类型是int，所以+1会跳过4个字节，找到arr[1]。

5.2 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;
}

这段代码是什么意思呢，这段代码是模拟的strlen函数，首先传进来字符串的首地址s，然后char了个*p指向s所指的地址，也就是p和s都指向一个地方，之后，p开始动了，当p指向的是'\0'的时候停止，用p-s就是p动了几下，也就是两个指针之间有多少个元素。

5.3 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 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;
}

这段代码就诠释了指针的大小比较。p<arr+sz（这里补充一点，数组名其实也是个指针，我们后面也会讲这一点的，这里先铺垫一下），p指向的arr的首元素，arr+sz是指向的数组末端（不是最后一个元素，而是最后一个元素的后面）。p++会慢慢让p接近这个地址，也就构成了数组遍历。

六、野指针

什么叫野指针呢，你可以理解为，很野的指针，我们说一个人比较野，因为他很放浪不羁、不受拘束。野指针也是如此，它是瞎乱指的，随机的，没有限制的。

6.1 野指针成因

1.指针初始化

#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;
}

2.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;
}

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);
 return 0;
}

6.2 指针初始化

为了避免野指针瞎乱指，我们提供了NULL这个宏定义，它的值为0，但是我们不可以访问0的地址。初始化如下：

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

6.2.1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。

6.2.2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];
 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;
}

6.2.3避免返回局部变量的地址

如造成野指针的第三个例子。

七、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);

上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 <assert.h> 语句的前⾯，定义⼀个宏 NDEBUG 。

#define NDEBUG
#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 NDBUG 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。

八、传值调用和传址调用

8.1 strlen的模拟实现

库函数strlen的功能是求字符串⻓度，统计的是字符串中 \0 之前的字符的个数。

函数原型如下：

size_t strlen ( const char * str );

参数str接收⼀个字符串的起始地址，然后开始统计字符串中 \0 之前的字符个数，最终返回⻓度。

如果要模拟实现只要从起始地址开始向后逐个字符的遍历，只要不是 \0 字符，计数器就+1，这样直到 \0 就停⽌。

代码如下：

int my_strlen(const char * str)
{
 int count = 0;
 assert(str);
 while(*str)
 {
 count++;
 str++;
 }
 return count;
}
int main()
{
 int len = my_strlen("abcdef");
 printf("%d\n", len);
 return 0;
}

8.2 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

我们可能会写出这段代码：

#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;
}

但是来看运行结果：

这是为什么呢？我们来调试一下。

我们发现在main函数内部，创建了a和b，a的地址是0x00cffdd0，b的地址是0x00cffdc4，在调⽤

Swap1函数时，将a和b传递给了Swap1函数，在Swap1函数内部创建了形参x和y接收a和b的值，但是x的地址是0x00cffcec，y的地址是0x00cffcf0，x和y确实接收到了a和b的值，不过x的地址和a的地址不⼀样，y的地址和b的地址不⼀样，相当于x和y是独⽴的空间，那么在Swap1函数内部交换x和y的值，⾃然不会影响a和b，当Swap1函数调⽤结束后回到main函数，a和b的没法交换。Swap1函数在使⽤的时候，是把变量本⾝直接传递给了函数，这种调⽤函数的⽅式我们之前在函数的时候就知道了，这种叫传值调用。

结论：实参传递给形参的时候，形参会单独创建⼀份临时空间来接收实参，对形参的修改不影响实 参。

那我们怎么解决这个问题呢？

我们现在要解决的就是当调⽤Swap函数的时候，Swap函数内部操作的就是main函数中的a和b，直接将a和b的值交换了。那么就可以使⽤指针了，在main函数中将a和b的地址传递给Swap函数，Swap函数⾥边通过地址间接的操作main函数中的a和b，并达到交换的效果就好了。

#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);
 Swap1(&a, &b);
 printf("交换后：a=%d b=%d\n", a, b);
 return 0;
}

来看运行结果：