”指針是C語言的精髓！“

——出自學校教《C語言程序設計》的老師

1 內存和地址

1.1 內存

為了理解指針，首先要從內存和地址講起。

在講之前，先舉一個現實世界中的例子。大學宿舍都有門牌號，當需要找到某個學生時，我們只需要知道宿舍的門牌號就可以了。

在計算機中內存很重要，程序經常需要從內存中讀取和寫入數據。在購買電腦的時候，內存的大小常有8/16/32GB等，這些空間又是如何被管理的？

其實也是把內存劃分為一個個的內存單元，每個內存單元的大小是1字節(byte)。

其中，每個內存單元，相當於一個學生宿舍，一個字節空間裏面能放8個比特位，就好比同學們住的八人間，每個人是一個比特位。

每個內存單元也都有一個編號（這個編號就相當於宿舍房間的門牌號），有了這個內存單元的編號，CPU就可以快速找到一個內存空間。

生活中我們把門牌號也叫地址，在計算機中我們把內存單元的編號也稱為地址。C語言中給地址起了新的名字叫：指針。

所以我們可以理解為：內存單元的編號 = 地址 = 指針

1.2 如何理解編址

CPU與內存之間有大量的數據交互，這些交互通過地址總線、數據總線、控制總線等，我們這裏關注的是地址總線。這裏可以簡單理解，32位機器上有32根地址總線，每根線有0、1兩種狀態，能表示2^32種含義，每一種含義都代表了1個地址。CPU通過地址總線獲取到了內存地址後，就可以通過其他總線對內存進行操作。

2 指針變量和地址

2.1 取地址操作符(&)

理解了內存和地址的關係，回到C語言中，創建變量其實就是向內存申請空間。例如int a = 10，就是創建了整形變量a，內存中申請4個字節，用於存放整數10，其中每個字節都有地址。

那我們如何得到a的地址呢？這就需要用到取地址操作符(&)。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
//打印整形變量a的地址
//環境為x64
int main()
{
    int a = 10;
    printf("a的地址是：%p\n", &a);
    return 0;
}

如圖，&a取出的是a所佔4個字節中地址較小的字節的地址。

雖然整型變量佔用4個字節，我們只要知道了第一個字節地址，順藤摸瓜訪問到4個字節的數據是完全可行的。

2.2 指針變量和解引用操作符(*)

2.2.1 指針變量

那我們通過取地址操作符(&)拿到的地址是一個數值，比如：0000009E504FFC84，這個數值有時候也是需要存儲起來，方便後期再使用的，那我們把這樣的地址值存放在哪裏呢？答案就是：指針變量中。

比如：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
//環境為x64
int main()
{
    int a = 10;
    int* pa = &a;//取出a的地址並存儲到指針變量pa中
    printf("a的地址是：%p\n", pa);
    return 0;
}

指針變量也是一種變量，這種變量就是用來存放地址的，存放在指針變量中的值都會理解為地址。

2.2.2 拆解指針類型

我們看到指針變量pa的類型是int* ，該如何理解指針的類型呢？

int a = 10;
int* pa = &a;

這裏pa左邊寫的是int*，*是在説明pa是指針變量。而前面的int是在説明pa指向的是整型(int)類型的對象。

那如果有一個char類型的變量ch，ch的地址，要放在什麼類型的指針變量中呢？自然是放在char*類型的指針變量中。

2.2.3 解引用操作符(*)

我們將地址保存起來，未來是要使用的，那怎麼使用呢？

在現實生活中，我們使用地址要找到一個房間，在房間裏可以拿去或者存放物品。

C語言中其實也是一樣的，我們只要拿到了地址（指針），就可以通過地址（指針）找到地址（指針）指向的對象，這裏必須學習一個操作符叫解引用操作符(*)。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
//環境為x64
int main()
{
    int a = 10;
    int* pa = &a;
    printf("修改前：a = %d\n", a);
    *pa = 5;
    printf("修改後：a = %d\n", a);
    return 0;
}

上面代碼中第7行就使用瞭解引用操作符，*pa的意思就是通過pa中存放的地址，找到指向的空間，*pa其實就是a變量了；所以*pa = 0，這個操作符是把a改成了0。

有同學肯定在想，這裏如果目的就是把a改成0的話，寫成a = 0；不就完了，為啥非要使用指針呢？

其實這裏是把a的修改交給了pa來操作，這樣對a的修改，就多了一種的途徑，寫代碼就會更加靈活，後期慢慢就能理解了。

2.3 指針變量的大小

1.2中提到：

在32位機器上有32根地址總線，每根線有0、1兩種狀態，能表示2^32種含義。

那我們把32根地址線產生的2進制序列當做一個地址，那麼一個地址就是32個bit位，需要4個字節才能存儲。如果指針變量是用來存放地址的，那麼指針變量的大小就得是4個字節的空間才可以。

同理64位機器，假設有64根地址線，一個地址就是64個二進制位組成的二進制序列，存儲起來就需要8個字節的空間，指針變量的大小就是8個字節。

通過原理可以得知，指針變量的大小與其類型無關，只要指針類型的變量在相同的平台下，大小都是相同的。

3 指針變量類型的意義

既然指針變量的大小和類型無關，只要是指針變量，在同一個平台下，大小都是一樣的，為什麼還要有各

種各樣的指針類型呢？其實指針類型是有特殊意義的。接下來我們一起探討。

3.1 指針的解引用

下面，我們來對比兩段代碼：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
//代碼1
int main()
{
    int n = 0x11223344;
    int* pi = &n;
    *pi = 0;
    return 0;
}

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
//代碼2
int main()
{
    int n = 0x11223344;
    char* pc = &n;
    //char* pc = (char*)&n;（可寫成這種顯式類型轉換）
    *pc = 0;
    return 0;
}

淺看一下，兩段代碼都希望將整形變量n的值改為0，代碼1是正常的寫法肯定沒問題，但是代碼2很怪，用了一個char*類型的指針變量pc來存儲整形變量n的地址，這會導致什麼，打開調試在內存中看一看。

我們先看看代碼1：

創建整形變量n，內存中申請了4個字節的空間，存儲16進制數0x11223344，然後*pc = 0將n的4個字節全部改為0，任務完成。

接下來看代碼2：

我們發現，代碼2只是將n的第一個字節改為0，其他3個字節的值原封不動的保留了下來。

結論：指針的類型決定了，對指針解引用的時候有多大的權限（一次能操作幾個字節）。

比如：char*的指針解引用就只能訪問一個字節，而int*的指針的解引用就能訪問四個字節。

3.2 指針 + / - 整數

先看一段代碼，調試觀察地址的變化。

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

代碼運行的結果如下：

我們可以看出，char*類型的指針變量+1跳過1個字節，int*類型的指針變量+1跳過了4個字節。這就是指針變量的類型差異帶來的變化。指針+1，其實就是跳過1個指針指向的元素。指針可以+1，那也可以-1。

結論：指針的類型決定了指針向前或者向後走一步有多大（距離）。

3.3 void*指針

在指針類型中有一種特殊的類型是void*，可以理解為無具體類型的指針（或者叫泛型指針），這種類型的指針可以用來接受任意類型地址。但是也有侷限性，void*類型的指針不能直接進行指針的+-整數和解引用的運算。

一般void*類型的指針是使用在函數參數的部分，用來接收不同類型數據的地址，這樣的設計可以實現泛型編程的效果。使得一個函數來處理多種類型的數據，在後面會經常遇到。

4 指針運算

指針的基本運算有三種，分別是：

• 指針+-整數
• 指針-指針
• 指針的關係運算

4.1 指針+-整數

因為數組在內存中是連續存放的，只要知道第一個元素的地址，順藤摸瓜就能找到後面的所有元素。

下面我們用指針來讀取一個數組：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
//指針+-整數
int main()
{
    int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
    int* p = &arr[0];
    int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
    for (int i = 0; i < sz; i++)
    {
        printf("%d ", *(p + i));//p+i 這裏就是指針+整數
    }
    return 0;
}

4.2 指針-指針

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
//指針-指針
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;
}

4.3 指針的關係運算

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
//指針的關係運算
int main()
{
    int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
    int* p = &arr[0];
    int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
    while (p < arr + sz)//指針的大小比較
    {
        printf("%d ", *p);
        p++;
    }
    return 0;
}

正文完