掌握C语言指针，轻松解锁代码高效性与灵活性

2024-02-25 13:44 由 Betty’sSweet 发表于 #后端开发

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所属专栏：C语言学习
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1. 指针与地址

1.1 概念

我们都知道计算机的数据必须存储在内存里，为了正确地访问这些数据，必须为每个数据都编上号码，就像门牌号、身份证号一样，每个编号是唯一的，根据编号可以准确地找到某个数据。而这些编号我们就将其称为地址或者指针

1.2 指针变量

数据在内存中的地址称为指针，如果一个变量存储了一份数据的指针（地址），我们就称它为指针变量。

那我们如何使用指针变量呢？

datatype *name;

*表示这是一个指针变量，datatype表示该指针变量所指向的数据的类型

例如：

int* p1;//指向一个整型的指针
char* p2;//指向一个字符的指针
float* p3;//指向一个单精度浮点数的指针
double* p4;//指向一个双精度浮点数的指针

1.3 &和*

我们早在学习scanf时候就用过取地址符&，它是将某个变量的地址取出来，而解引用*的意思就是通过某个地址找到该地址存储的变量。可能解释起来比较抽象，我们可以通过一个不恰当的例子形象说明一下。

首先我们可以得到如下几个关系：

	int a = 1;//第一个客户，&a为0x00000001
	int b = 2;//第二个客户，&b为0x00000002
	int c = 3;//第三个客户，&c为0x00000003

然后我们可以通过指针变量把他们地址存储进去

	int* pa = &a;//把a的地址存进去
	int* pb = &b;//把b的地址存进去
	int* pc = &c;//把c的地址存进去

在酒店中，我们可以通过门牌号准确找到每个客户。同理，我们也可以通过每个地址准确找到每个变量。

	printf("a=%db=%dc=%d", *pa, *pb, *pc);//通过*解引用地址找到对应的值

输出结果 a=1 b=2 c=3

并且我们可以通过指针变量进行赋值。

*pa = 4;
*pb = 5;
*pc = 6;
printf("a=%d b=%d c=%d\n", *pa, *pb, *pc);

输出结果：a=4 b=5 c=6

1.4 void*指针和NULL

（1）void*是一种特殊的指针类型，它可以指向任意类型的数据，就是说可以用任意类型的指针对 void 指针赋值。

void*p1;
int*p2;
p1=p2;//这是被允许的

但是却不能把void*指针赋值给任意指针类型，也不能直接对其解引用

void*p1;
int *p2;
p2=p1;//不能这样赋值
*p1//不能直接对void*解引用

（2）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。

int*p=NULL；//初始化指针

1.5 指针变量的大小

我们知道，现在常见的计算机分为32位机器和64位机器。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。同理，64位机器需要8个字节才能存储。

我们可以通过以下代码来验证一下。

int main()
{
	printf("%zd ", sizeof(char*));
	printf("%zd ", sizeof(short*));
	printf("%zd ", sizeof(int*));
	printf("%zd ", sizeof(double*));
	return 0;
}

输出结果：

32位机器：4 4 4 4

64位机器：8 8 8 8

2. 指针的基本运算

2.1 指针+-整数

我们先观察一下如下代码的地址变化

#include <stdio.h>
int main()
{
	int n = 10;
	char* p1 = (char*)&n;//将int*强转为char*
	int* p2 = &n;
	printf("%p\n", &n);
	printf("%p\n", p1);
	printf("%p\n", p1 + 1);//p1向后移动一位
	printf("%p\n", p2);
	printf("%p\n", p2 + 1);//p2向后移动一位
	return 0;
}

输出：

&n=005DF8D4
p1=005DF8D4
p1+1=005DF8D5
p2=005DF8D4
p2+1=005DF8D8

我们可以看出， char* 类型的指针变量+1跳过1个字节， int* 类型的指针变量+1跳过了4个字节。由此我们得出结论：指针的类型决定了指针向前或者向后⾛⼀步有多⼤（距离）。

因为每次代码运行时，系统都会重新分配内存，所以输出结果每次都不会一样，但是规律是一样的

我们知道数组在内存中是连续存储的（地址由低到高），所以我们只需要只要首元素的地址就能找到数组所有元素的地址，而一维数组的数组名恰恰就是我们首元素的地址。

 假设有数组int arr[10]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}

arr	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
下标	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9

那我们如何通过指针访问每个元素呢？

代码参考如下：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	int* p = &arr[0];//&arr[0]=arr
	int i = 0;
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);//计算数组元素个数
	for (i = 0; i < sz; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));//因为数组元素连续存储，所以可以通过+-整数找到之后元素
	}
	return 0;
}

输出结果：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2.2 指针-指针

指针-指针其实是指在同一空间内，两个指针之间的元素个数。

知道这点之后，我们可不可以自己实现一个字符串库函数strlen()呢?

思路如下：

思路：首先定义两个指针p1，p2，让两个指针指向首元素，然后让一个指针p2循环++，直到指向‘\0’就停止，最后返回p2-p1，就能得到字符串的长度

代码如下：

int my_strlen(char* p1)
{
	char* p2 = p1;//使两个指针都指向首元素
	while (*p2)
	{
		p2++;
	}
	return p2 - p1;//返回两指针直接的元素的个数就是其长度
}
int main()
{
	char arr[] = "abcdef";
	int len = my_strlen(arr);//计算arr字符串的长度
	printf("%d\n", len);
	return 0;
}

参考贝蒂string.h大全

2.3 指针的关系运算

我们知道了指针变量本质是存放的地址，而地址本质就是十六进制的整数，所以指针变量也是可以比较大小的。

代码示例：

#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);//打印数组每个元素
		p++;
	}
	return 0;
}

3. const修饰

我们知道变量是可以改变的，但是在有些场景下，我们不希望变量改变，那我们该怎么办呢？这就是我们接下来要讲的const的作用啦。

3.1 const修饰变量

简单来说，经过const修饰的变量，可以当做一个常量，而常量是不能改变的。

	int a = 1;//a可修改的
	const int b = 2;
	b=3;//b不可修改的

但是可以通过指针间接修改.

代码如下:

int main()
{
	const int b = 2;
	int* p = &b;
	*p = 3;//通过指针间接修改
	return 0;
}

3.2 const修饰指针

我们知道const的作用后，就可以看看下面几段代码。

	int a = 10;
	const int* p = &a;
	*p = 20;//是否可以
	p = p + 1;//是否可以

通过测试我们发现，*p无法改变成20，但是p可以改变成p+1.

那如果把const调换一下位置，又会出现什么情况呢~

	int a = 10;
    int* const p = &a;
	*p = 20;//是否可以
	p = p + 1;//是否可以

再次测试之后我们发现，*p可以被赋值为20，但是p不能赋值为p+1了

通过上述测试，我们大致可以总结出两个结论。

• 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。

4. assert断言

assert是一个宏，它的头文件为<assert.h>,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”。

举一个简单的例子：

assert(a>0);

如果a的确大于0，assert判断为真，就会通过。
如果a不大于0，assert判断为假，就会报错。

所以assert常常用于检查空指针问题，以防止程序因为空指针的问题而出错。

int *p=NULL;
assert(p);//空指针是0,0为假，就会报错

5. 传值调用与传址调用

5.1 传值调用

我们前面学习函数时候，遇到过这样一段代码。

#include<stdio.h>
void swap(int x, int y)//返回类型为void表示不返回值
{
    int temp = 0;//定义一个临时变量
    temp = x;//把x的值赋给temp
    x = y;//把y的值赋给x
    y = temp;//把temp的值赋给y，完成交换操作
}
int main()
{
    int a = 0;
    int b = 0;
    scanf("%d %d", &a, &b);
    printf("交换前：a=%d，b=%d\n", a, b);
    swap(a, b);//交换函数
    printf("交换后：a=%d，b=%d\n", a, b);
    return 0;
}

输入：3 5

输出：交换后a=3 ，b=5

为什么两个值并没有交换呢，这是因为形参只是实参的一份临时拷贝，对形参改变，根本不会改变实参。如果忘记的同学可以再去温习一下贝蒂的函数小课堂

5.2 传址调用

那我们想在函数中改变实参的值，那又该如何改变呢？

其实很简单，我们学了指针，知道可以通过地址间接访问该变量的值，所以我们只需要把地址传给函数，在函数中通过地址访问实参，并进行交换。

代码如下：

#include<stdio.h>
void swap(int*x, int*y)//通过指针变量接受地址
{
    int temp = 0;//定义一个临时变量
    temp = *x;//把*x的值赋给temp
    *x = *y;//把*y的值赋给*x
    *y = temp;//把temp的值赋给*y，完成交换操作
}
int main()
{
    int a = 0;
    int b = 0;
    scanf("%d %d", &a, &b);
    printf("交换前：a=%d，b=%d\n", a, b);
    swap(&a, &b);//将地址传给函数
    printf("交换后：a=%d，b=%d\n", a, b);
    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 野指针成因

（1）指针未初始化

#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;
}

因为p是随机值，所以对p解引用，系统无法通过p的地址找到对应的空间，所以出错造成野指针

（2）数组越界访问

#include <stdio.h>
int main()
{
	int arr[10] = { 0 };
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 11; i++)
	{
		//数组下标是0到9
		printf("%d ", *(arr + i));
	}
	return 0;
}

一般出现这种较大的随机值，一般都是数组越界访问

（3）指针指向空间释放

#include <stdio.h>
int* test()
{
	int n = 10;
	return &n;//返回n的地址
}
int main()
{
	int* p = test();//用p接受n的地址
	printf("%d\n", *p);//打印出n的值
	return 0;
}

这段代码乍一看，好像并没有什么问题，但是大家在学习函数的时候知道，在函数中定义的变量是临时变量，一旦出了作用域就会销毁。

一旦销毁，系统就无法访问该空间，而通过指针我们还可以访问该空间，这就造成了冲突，所以出错，造成野指针。

6.2 解决方法

(1) 初始化

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。如下是NULL在编译器中的定义：

ifdef __cplusplus

define NULL 0

else

define NULL ((void *)0)

endif

#include <stdio.h>
int main()
{
	int* p=NULL；//用空指针初始化，让其有指向位置
	//*p = 20;NULL地址不能读写
	return 0;
}

(2) 小心越界访问

我们在使用数组时候，一定要对数组的元素个数有一个清晰的把控，不然就很容易出现越界访问的情况。

(3) 不能返回临时变量的地址

临时变量出了作用域就会销毁，系统会回收该空间，所以我们要尽量避免指针指向已经销毁的空间，尤其在函数中，不能返回临时变量的地址。

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