C语言指针基础：遇到指针只会无能狂怒吗？

编程入门行业动态更新时间:2024-10-08 08:29:23

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C语言指针基础：遇到指针只会无能狂怒吗？

1.内存和地址

我们知道计算机计算上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，其实就是把内存划分为一个个内存单元，每个内存单元的大小取1字节。

内存的容量通常用字节（byte）作为基本单位进行计量，在实际应用中，常见的内存容量单位有以下几种：

1. 字节（byte）：内存最小的存储单元，1个字节等于8个比特（bit）。
2. 千字节（kilobyte，KB）：1KB等于1024字节。
3. 兆字节（megabyte，MB）：1MB等于1024KB。
4. 吉字节（gigabyte，GB）：1GB等于1024MB。
5. 太字节（terabyte，TB）：1TB等于1024GB。
6. 拍字节（petabyte，PB）：1PB等于1024TB。

跟据上述换算关系，可以进行不同单位之间的转换。例如，1GB等于1024MB，1TB等于1024GB，以此类推。

其中，每1个内存单元，相当于1个字节的空间里放8个比特位。每个内存单元都有1个对应的编号，CPU就可以快速找到1个内存空间。所以在计算机中，我们把内存单元的编号称为地址。在C语言中地址也被叫做指针。

相当于：内存单元编号==地址==指针

2.指针变量和地址

2.1 取地址符操作符（&）

在C语言中创建变量其实就是向内存空间申请空间，比如说：

#include<stdio.h>
int main()
{//首先创建变量；int x = 1;int y = 2;int z = 3；//利用取地址操作符取出变量的地址并在屏幕上打印；printf("&x = %p\n", &x);printf("&y = %p\n", &y);printf("&z = %p\n", &z);return 0;
}

代码直接结果为：

&x = 000000D04FFEFA44
&y = 000000D04FFEFA64
&z = 000000D04FFEFA84

我们可以在内存中更直观地从内存上看到地址和所存储的数据：

2.2指针变量和解引用操作符（*）

直接看代码：

#include<stdio.h>
int main() {int num = 10;int *ptr = &num;  // 声明一个指向int类型的指针变量ptr，并将其指向num的地址printf("num的值：%d\n", num);printf("ptr所指向的值：%d\n", *ptr);  // 使用解引用操作符获取ptr指向的值*ptr = 20;  // 使用解引用操作符修改ptr指向的值printf("修改后的num的值：%d\n", num);return 0;
}

在上面的示例中，我们声明了一个int类型的变量num，并初始化为10。然后，我们声明了一个指向int类型的指针变量ptr，并将其指向num的地址。通过解引用操作符（*ptr），我们可以获取ptr所指向的值，也就是num的值。（*ptr 的意思就是通过ptr中存放的地址，找到指向的空间， *ptr其实就是num变量了；）接下来，我们使用解引用操作符（*ptr = 20）修改了ptr所指向的值，也就是num的值。最后，我们打印出修改后的num的值。

2.3指针变量的大小

首先指针变量的大小在不同编译器和操作系统下而有所变化。通常，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 ", sizeof(char *));printf("%zd ", sizeof(short *));printf("%zd ", sizeof(int *));printf("%zd\n", sizeof(double *));return 0;
}

代码运行结果为（x64）：8 8 8 8

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.指针变量的意义

3.1指针的解引用

//代码一
int main()
{int n = 0x11223344;int* pi = &n;*pi = 0;return 0;
}
//代码二int main()
{int n = 0x11223344;char* pc = (char*)&n;*pc = 0;return 0;
}

我们来看一下两个代码结果执行的区别：

代码一：代码二：

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指针加减整数

直接上代码：


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;
}

结论：指针类型决定跳过的字节数。

4.const修饰指针

4.1const修饰变量

在C语言中，const关键字用于声明一个常量。常量是一个值，在程序执行期间不能被修改。

int mian()
{int m = 0;m = 20;const int n = 0;m = 20;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。


int main()
{const int n = 0;printf("n = %d\n", n);int*p = &n;*p = 20;printf("n = %d\n", n);return 0;
}

4.2const修饰指针变量

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。

int num = 10;
int* const ptr = &num;
*ptr = 20; // 通过指针修改指向的内容int num1 = 10;
int num2 = 20;
const int* ptr = &num1;
ptr = &num2; // 修改指针指向的地址

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指针加减整数

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。

#include <stdio.h>
//指针加减整数
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;
}

5.2指针减指针

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;
}

5.3指针的运算关系

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;
}

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野指针的成因

1.指针未初始化


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


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.指针指向的空间释放


int* test()
{int n = 100;return &n;
}
int main()
{int*p = test();printf("%d\n", *p);return 0;
}

6.2如何规避野指针

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。

2.小心数组越界：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。

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。

7.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 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。如果程序有出现问题，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版本不影响用户使用时程序的效率。

8.指针的使用和传址调用

8.传址调用

我们来看一个函数：

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;
}

代码运行结果如下：

我们发现在main函数内部，创建了a和b，a的地址是0x000000f4c95f954，b的地址是0x000000f49c95f974，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：形参只是实参的一份临时拷贝

解决方案:


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;
}

代码运行结果如下：

我们可以看到实现成Swap2的方式，顺利完成了任务，这里调用Swap2函数的时候是将变量的地址传递给了函数，这种函数调用方式就称为：传址调用。

9.一维数组传参的本质

数组名就是数组首元素（第一个元素）的地址。

先看代码：

#include <stdio.h>
void test(int arr[])
{int sz2 = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);printf("sz2 = %d\n", sz2);
}
int main()
{int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};int sz1 = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);printf("sz1 = %d\n", sz1);test(arr);return 0;
}

代码运行结果为：

sz1 = 10
sz2 = 1

我们发现在函数内部是没有正确获得数组的元素个数。这就要学习数组传参的本质了，上个小节我们学习了：数组名是数组⾸元素的地址；那么在数组传参的时候，传递的是数组名，也就是说本质上数组传参本质上传递的是数组首元素的地址。所以函数形参的部分理论上应该使用指针变量来接收首元素的地址。那么在函数内部我们写 sizeof(arr) 计算的是⼀个地址的大小（单位字节）而不是数组的大小（单位字节）。正是因为函数的参数部分是本质是指针，所以在函数内部是没办法求的数组元素个数的。

10.二级指针

指针变量也是变量，是变量就有地址，那指针变量的地址存放在二级指针里。

对于二级指针的运算：

• *ppa 通过对ppa中的地址进⾏解引用，这样找到的是 pa，*ppa 其实访问的就是 pa 。

int b = 20;
*ppa = &b;//等价于 pa = &b;

• **ppa 先通过 *ppa 找到 pa ,然后对 pa 进行解引用操作：*pa，那找到的是 a。

**ppa = 30;
//等价于*pa = 30；
//等价于a = 30;

11.数组指针

11.1存放数组的指针

#include <stdio.h>
int main() 
{int num1 = 10, num2 = 20, num3 = 30, num4 = 40, num5 = 50;int* arr[5]; // 声明一个指针数组，其中每个元素都是指向int类型的指针arr[0] = &num1; // 将数组的第一个元素指向num1的地址arr[1] = &num2; // 将数组的第二个元素指向num2的地址arr[2] = &num3; // 将数组的第三个元素指向num3的地址arr[3] = &num4;arr[4] = &num5;printf("arr[0] = %d\n", *arr[0]); // 打印数组的第一个元素所指向的值printf("arr[1] = %d\n", *arr[1]); // 打印数组的第二个元素所指向的值printf("arr[2] = %d\n", *arr[2]); // 打印数组的第三个元素所指向的值printf("arr[3] = %d\n", *arr[3]);printf("arr[4] = %d\n", *arr[4]);return 0;
}

11.2指针数组模拟二维数组

#include <stdio.h>
int main()
{int arr1[] = { 1,2,3,4,5 };int arr2[] = { 2,3,4,5,6 };int arr3[] = { 3,4,5,6,7 };//数组名是数组⾸元素的地址，类型是int*的，就可以存放在parr数组中int* parr[3] = { arr1, arr2, arr3 };int i = 0;int j = 0;for (i = 0; i < 3; i++){for (j = 0; j < 5; j++){printf("%d ", parr[i][j]);}printf("\n");}return 0;
}

parr[i]是访问parr数组的元素，parr[i]找到的数组元素指向了整型⼀维数组，parr[i][j]就是整型⼀维数组中的元素。

12.字符指针变量

常见的的使用方法：

int main()
{char ch = 'w';char *pc = &ch;*pc = 'w';return 0;
}int main()
{const char* pstr = "hello bit.";printf("%s\n", pstr);return 0;
}

代码 const char* pstr = "hello bit."; 特别容易让我们以为是把字符串 hello bit 放到字符指针pstr ⾥了，但是本质是把字符串 hello bit. ⾸字符的地址放到了pstr中。

13.数组指针变量

数组指针变量是指针变量？还是数组？答案是：指针变量。 我们已经熟悉：

• 整形指针变量： int * pint; 存放的是整形变量的地址，能够指向整形数据的指针。

• 浮点型指针变量： float * pf; 存放浮点型变量的地址，能够指向浮点型数据的指针。

那数组指针变量应该是：存放的应该是数组的地址，能够指向数组的指针变量。

13.1指针数组和数组指针的区别

int *p1[10];//指针数组
int (*p2)[10];//数组指针

解释：p先和*结合，说明p是⼀个指针变量变量，然后指着指向的是⼀个⼤⼩为10个整型的数组。所以 p是⼀个指针，指向⼀个数组，叫数组指针。这⾥要注意：[]的优先级要⾼于*号的，所以必须加上（）来保证p先和*结合。

数组指针类型解析：

int (*p) [10] = &arr;| | || | || | p指向数组的元素个数| p是数组指针变量名p指向的数组的元素类型

13.2数组指针的初始化

13.3二维数组传参的本质

void test(int(*p)[5], int r, int c)
{int i = 0;int j = 0;for (i = 0; i < r; i++){for (j = 0; j < c; j++){printf("%d ", *(*(p + i) + j));}printf("\n");}
}
int main()
{int arr[3][5] = { {1,2,3,4,5}, {2,3,4,5,6},{3,4,5,6,7} };test(arr, 3, 5);return 0;
}

根据数组名是数组首元素的地址这个规则，二维数组的数组名表示的就是第一行的地址，是一维数组的地址。根据上面的例子，第一行的⼀维数组的类型就是 int [5] ，所以第一行的地址的类型就是数组指针类型 int(*)[5] 。那就意味着⼆维数组传参本质上也是传递了地址，传递的是第一行这个⼀维数组的地址，那么形参也是可以写成指针形式的。

14.函数指针数组

14.1数组指针变量的创建

我们现在做一个测试：

#include <stdio.h>
void test()
{printf("hehe\n");
}
int main()
{printf("test: %p\n", test);printf("&test: %p\n", &test);return 0;
}

输出的结果为：

test: 005913CA
&test: 005913CA

确实打印出来了地址，所以函数是有地址的，函数名就是函数的地址，当然也可以通过 &函数名 的方式获得函数的地址。

如果我们要将函数的地址存放起来，就得创建函数指针变量，函数指针变量的写法其实和数组指针非常类似。如下：

void test()
{printf("hehe\n");
}
void (*pf1)() = &test;
void (*pf2)()= test;
int Add(int x, int y)
{return x+y;
}
int(*pf3)(int, int) = Add;
int(*pf3)(int x, int y) = &Add;//x和y写上或者省略都是可以的

函数指针类型解析：

int (*pf3) (int x, int y)| | ------------ | | || | pf3指向函数的参数类型和个数的交代| 函数指针变量名pf3指向函数的返回类型
int (*) (int x, int y) //pf3函数指针变量的类型

14.2函数指针变量的引用

用过函数指针调用指针指向的函数。

#include <stdio.h>
int Add(int x, int y)
{return x+y;
}
int main()
{int(*pf3)(int, int) = Add;printf("%d\n", (*pf3)(2, 3));printf("%d\n", pf3(3, 5));return 0;
}

输出结果为：