【C入门】10、指针

Summary

1）指针的本质是变量，特殊之处在于指针存储的值是内存地址（内存中每个存储单元的编号：计算机中的最小存储单元是1byte ，即每个字节的编号都是一个内存地址）

2）程序中的一切元素都存在于内存中，因此可以通过内存地址访问程序元素

3）内存地址的本质是一个无符号整数（4字节或8字节）；4字节和8字节分别对应于32位和64位，所以我们常说的32位和64位系统指的就是可访问的最大内存地址是多少。因为64位系统能支持更大的内存寻址，所以64位系统会比32位系统能同时运行的程序要多。

4）只有通过内存地址+长度才能确定一个变量中保存的值。内存地址只是一个起始值，只有根据类型信息，知道占多少内存、解读方式，才可以准确的读出变量里保存的值。

5）函数参数是指针时（传址调用），可以实现在函数内部修改函数外部变量的值；使用指针作为参数，可以作为一个传出参数，使得函数能返回多个值。

6）对于数组int a[5]，a和&a的关系：

• a可以看做一个常量指针，表示数组首元素的地址，值是0xA，类型是int*，即内存长度为4
• &a是数组的地址，值是0xA，类型是int(*)[5]，即内存长度为20。指向数组的指针：int(*pArr)[5] = &a;

7）指针与数组的等价用法：

int a = {1, 2, 3, 4, 5};
int* p = a;

a[i] <--> *(a + i)
     <--> *(p + i) <--> p[i]

8）C语言中，字符串常量的类型是char*（c++里则是const char*）；
int v = *p++;等价于int v = *p; p++;因为（*）的优先级和（++）相同

9）函数的本质是一段内存中的代码，占用一段连续的内存。函数名就是函数的入口地址（函数体代码的起始地址）。通过函数名调用函数，本质为指定具体地址的跳转执行。因此可以定义指针，保存函数的入口地址：type (*pFunc)(param) = funcName;

10）问：既然通过函数名可以直接调用函数，那么为什么还需要函数指针呢？
答：可以定义函数指针参数。使用相同的代码，实现不同的功能。主调函数只知道函数原型是这样，但不知道具体会调用哪个函数。函数指针是回调函数的实现机制：函数作为参数使用时，就构成了callback；

11）堆空间的本质是程序备用的“内存仓库”，以字节为单位预留的可用内存

12）在C语言中，void*指针可以和其他类型的指针type*进行相互赋值，因为C语言对指针的检查并不严格。但是在使用时一定要注意操作的数据类型，void*仅仅是一个初始地址，不包含长度信息。

13）malloc用于向堆空间中以字节为单位申请内存；free用于归还堆空间的内存，malloc而不free，内存泄露；多次free，崩溃。

14）指针是一个变量，那么自然也就会有指向指针的指针，即多级指针。之前变量可以使用指针进行传址调用，那么也可以通过多级指针实现对指针的传址调用，在函数内部改变外部的指针的值。

15）二维数组的本质是一维数组，所以二维数组名a表示的是数组的首元素，即a[0]表示的是一个一维数组；a的类型是type (*)[size2]

int arr[2] = {0};
int* pa = arr;
int (*pArr)[2] = &arr;


int bArr[2][2] = {0};
int (*pb)[2] = bArr;
typedef int (oneDimension)[2];
oneDimension (*pbArr)[2] = &bArr;

16）禁止返回局部变量的地址，因为局部变量在函数调用结束后，生命期就结束了。此时返回的是个野指针。

1、指针

1.1 指针本质

指针本质是C语言中的变量

• 因为是变量，所以用于保存具体值
• 特殊之处，指针保存的值是内存中的地址

• 什么是内存地址？

  • 内存是计算机中的存储部件，每个存储单元有固定唯一的编号（每个存储单元：1byte）
  • 内存中存储单元的编号即内存地址

程序中的一切元素都存在于内存中，因此可以通过内存地址访问程序元素。

获取地址：

• C语言中通过&操作符获取程序元素的地址
• &可以获得变量、函数、数组的起始地址

• 内存地址的本质是一个无符号整数（4或8字节）

  int var = 0;
  
  printf("var address = %p\n", &var);

1.2 指针语法

指针定义语法：type * pointer

• type - 数据类型，决定访问内存时的长度范围
• * - 标志，意味着定义一个指针变量
• pointer - 变量名，遵循C语言命名规则

指针内存访问：* pointer

• 指针访问操作符（*）作用于指针变量即可访问内存数据
• 指针的类型决定通过地址访问内存时的长度范围
• 指针的类型统一占用4字节或8字节

初学指针时的军规：

• type*类型的指针只能保存type类型变量的地址（如float和int类型的变量，都是4个字节，但是内存中的二进制是不一样的，如果存的是int，以float的方式来读，肯定是不对的）
• 禁止不同类型的指针相互赋值

• 禁止将普通数值当做地址赋值给指针

  • 注意：指针保存的地址必须是有效地址

问题：之前在函数里交换两个变量的值，真的没办法实现么？
思考：想要交换两个变量的值，必须在函数内部修改函数数外部的变量？如果参数是指针呢？把变量的地址传进去，在函数里直接通过内存地址去修改地址是否可行？

void swap(int* a, int* b)
{
    int t = *a;
    *a = *b;
    *b = t;
}

通过传指针就实现了在函数内部修改函数外部的变量。另外，函数的return只能返回一个值，如果在参数中使用指针，这样函数就可以返回多个值，传出参数。

2、指针与数组

问题：数组的本质是一段连续的内存，那么，数组的地址是什么？如何获取？

2.1 指针与普通数组

• 使用取地址符&获得数组的地址：&a，&a表示一个地址（数组的地址），值是0xA，类型是int(*)[5]，即长度是20。指向数组的指针：int(*pName)[5] = &a;
• 数组名可看一个常量指针：a，a代表一个地址（数组首元素的地址），值是0xA，类型是int*，即长度是4

• 当指针指向数组元素时，可以进行指针运算（指针移动）

  int a[] = {1, 2, 3, 4, 5};
  int* p = a;
  p = p + 1;

注意：数组名只是可以看做一个指针，代表了0号元素的地址。

指针与数组的等价用法：

int a = {1, 2, 3, 4, 5};
int* p = a;

a[i] <--> *(a + i)
     <--> *(p + i) <--> p[i]

2.2 指针与字符串

字符串拾遗

• 问：C语言中的字符串常量是什么类型？

• 答：char*类型，一种指针类型

  printf("%p\n", "GrandSoft");

指针移动组合拳：int v = *p++;

• 指针访问操作符（*）和自增运算符（++）优先级相同
• 所以，先从p指向的内存中取值，然后p进行移动
• 等价于：int v = *p; p++;

3、指针与函数

问题：函数调用时会跳转到函数体对应的代码处执行，那么，如何知道函数体代码的具体位置？

深入函数之旅：

• 函数的本质是一段内存中的代码（占用一段连续内存）

• 函数拥有类型，函数类型由返回类型和参数类型列表组成

  函数声明	类型
  int sum(int n)	int(int)
  void g(void)	void(void)

函数指针：type func(type1 a, type2 b)

• 函数名即函数入口地址，类型为type (*)(type1, type2)
• 对于func的函数，func和&func数值相同，意义相同

• 指向函数的指针：type (*pFunc)(type1, type2) = func;

  int (*pFunc)(int a, int b) = nullptr;
  pFunc = add;
  printf("%d\n", pFunc(1, 2));    // 1)
  printf("%d\n", (*pFunc)(1, 2)); // 2)

  对于两种调用方法的理解：
  1）函数指针保存函数的入口地址，函数名也保存了函数的入口地址，函数名可以直接调用函数，那么用pFunc直接调用函数，也很合理
  2）pFunc是一个地址，里面存放的函数的代码，使用*pFunc就取到了函数体，直接调用函数，也很合理

问题：既然可以通过函数名直接调用函数，那么为什么还需要使用函数指针呢？
答：这样就可以使用函数指针作为函数参数。

• 函数指针的本质还是指针（变量，保存地址）

• 可以定义函数指针参数，使用相同代码实现不同功能

  int calculate(int a[], int len, int(*cal)(int, int))
  {
    int ret = a[0];
    int i = 0;
    for(i=1; i<len; i++)
    {
        ret = cal(ret, a[i]);
    }
  
    return ret;
  }

  根据传入不同的cal函数，可以实现比如数组相乘、相加、相除等等。在calculate里，只知道要调用的函数原型是这样，但是具体调用的是什么函数，执行了什么功能，只有执行到cal才知道。

4、指针与堆空间

再论内存空间：内存区域不同，用途不同

• 全局数据区：存放全局变量，静态变量
• 栈空间：存放函数参数，局部变量
• 堆空间：用于动态创建变量（数组）

堆空间的本质：

• 备用的“内存仓库”，以字节为单位预留的可用内存
• 程序可在需要时从“仓库”中申请使用内存（动态借）
• 当不需要再使用申请的内存时，需要及时归还（动态还）

预备知识-void*

• void类型是基础类型，对应的指针类型为void*
• void*是指针类型，其指针变量能够保存地址
• 通过void*指针无法获取内存中的数据（无长度信息）

堆空间的使用：

• 工具包：stdlib.h
• 申请：void* malloc(unsigned bytes)
• 归还：void free(void* p)，p必须是堆空间中的地址

堆空间的使用原则：

• 有借有还，再接不难
• malloc申请内存后，应该判断是否申请成功
• free只能申请释放到的内存，且不可多次释放

5、指针问题剖析

5.1 多级指针

可以定义指针的指针来保存其他指针变量的地址

type v;
type* pv = &v;
type** ppv = &pv;
type*** ppv = &ppv;
...

使用指针可以取到指针的地址，那么就可以在函数内部，改变指针里保存的值。
指针的传址调用，修改函数外的指针的值：

int getDouble(double** pp, unsigned int n)
{
    int ret = 0;
    double* pd = (double*)malloc(sizeof(double) * n);

    if(pd != NULL)
    {
        *pp = pd;

        ret = 1;
    }

    return ret;
}

5.2 二维数组

问题：一维数组名的类型为type，那么二维数组名的类型是不是type*？

再论二维数组：

• 二维数组的本质是一维数组，即：数组中的元素是一维数组

• 因此：二维数组a[][]，a表示a[0]，首元素是一个一维数组

  int b[][2] = {1, 2, 3, 4};
  int(*pnb)[2] = b;

本文总结自“狄泰软件学院”唐佐林老师《C语言入门课程》。
如有错漏之处，恳请指正。