C语言学习NO.9-指针（一）内存和地址，指针变量和地址，指针变类型的意义，const修饰指针，指针运算，野指针，assret断言，指针的使用和传址调用

指针是什么？

指针是什么？
指针理解的2个要点：
1.指针是内存中一个最小单元的编号，也就是地址；
2.平时口语中说的指针，通常指的是指针变量，是用来存放内存地址的变量。

总结：指针就是地址，口语中说的指针通常是指针变量。

一、内存和地址

（一）内存

CPU（中央处理器）在处理数据是在内存中读取的，处理后的数据也会放回内存中。
我们平时买电脑时看到的8GB/16GB/32GB等都是内存，这些内存空间如何高效的管理呢？
将内存划分为一个个的内存单元，每个内存单元的大小取1个字节。
计算机中常见的单位： 一个比特位可以存储一个2禁止的位1或者0.

bit - 比特位
byte - 字节 1byte = 8bit
KB 1KB = 1024byte
MB 1MB = 1024KB
GB 1GB = 1024MB
TB 1TB = 1024GB
PB 1PB = 1024TB

一个字节可以放置8个比特位，内存是由一个一个字节组成单元的。
每个内存单元也都有一个编号（这个编号相当于一个个小房间），有了这些内存单元的编号，CPU就可以快速找到一个内存空间。在计算机中我们把内存单元的编号也成为地址。
C语言中给地址起了新的名字叫：指针。

内存单元的编号地址指针

（二）地址

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，二因为内存中字节很多，所以需要给内存进行编址。
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。
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?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

（一）取地址操作符（&）

在C语言中创建变量其实就是向内存申请空间。
例如 int a = 10; ，内存中申请4个字节，用于存放整数10，其中每个字节都有地址，上图中4个字节的地址分别是：

这里我们要来认识一下一个操作符 & ：取地址操作符。
根据创建的变量类型在内存中申请的空间编号就是地址，而&a取出的是a所占4个字节中地址较小的字节的地址。

（二）指针变量

我们创建一个int型变量并赋值10，那么当我们将&a取出时，我们需要将其地址存储起来，方便后期使用，那么我们可以将地址值存放在哪里呢？
答案是：指针变量中。

#include <stdio.h>

int main()
{
	int a = 10;
  int* pa = &a;//取出的a的地址并存储在指针变量pa中。
  //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

  return 0;
}

（三）解引用操作符（*）

在上列代码中，我们可以看到pa的类型是int*
int是在说明pa指向的是整型（int）类型的对象，*是在说明pa是指针变量。

*pa的意思就是通过pa中存放的地址，找到指向的空间，pa其实就是a变量了；所以pa = 0，这个操作符就是把a给成了0.
这样我们就多了一个修改a的途径。

（四）指针变量的大小

在前面，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（一个字节等于8个比特位）才能存储。
如果指针变量是用来存放地址的，那么指针变得大小就得是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，指针变得大小就是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;
}

• 64位平台下地址是64个bit位，指针变量大小是8个字节
• 32位平台下地址是32个bit位，指针变量大小是4个字节
• 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。

三、指针变量类型的意义

指针变量的大小和类型无关，只要是指针变量，在同一平台下，大小都是一样的，为什么还要有各种各样的指针类型呢？

（一）指针的解引用

对比下面2段代码，主要是在调试中观察内存的变化。

//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;
}

调试中我们可以看到，代码1会将n的4个字节全部改为0，但是代码2只是将n的第一个字节改为0.

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* 指针的解引用就能访问四个字节。

（二）指针±整数

先看一段代码，调试观察地址的变化。

#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;
}

我们可以看到，n，pc是char类型的，char类型的指针变量+1跳过一个字节。
而int类型的指针变量+1跳过四个字节，这就是指针变量的类型差异带来的变化。

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）。

（三）void*指针

在指针类型中有一种特殊的类型是void*类型的，可以理解为无具体类型的指针（或者叫泛型指针），这种类型的指针可以用来接收任意类型地址。但是也有局限性。
void 类型的指针不能直接进行指针的±整数和解引用的运算*。

#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。
编译器会给出警告，因为类型不兼容，而使用void类型就不会有这种问题。
使用void*类型的指针接收地址：

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

	*pa = 10;
	*pc = 0;
	return 0;
}

这里我们可以看到，void*类型的指针可以接受不同类型的地址，但是无法直接进行指针运算。

那么void* 类型的指针到底有什么用呢？
一般void* 类型的指针是使用在函数参数的部分，用来接受不同类型数据的地址，这样的设计可以实现泛型变成的效果。使得一个函数来处理多种类型的数据。

四、const修饰指针

（一）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？

#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;
}

n的本质是变量，在被const修饰后，在语法上加了限制，只要我们在代码中对n进行修饰，就不符合语法规则了，会报错。

但无论如何我们都像修改n的值，怎么做？这是就可以用到我们上面学习的指针通过地址来修改n的值。

#include <stdio.h>
int main()
{
	int m = 0;
	m = 20;//m是可以修改的
	const int n = 20;
	//n = 20;//n是不能被修改的

	printf("n=%d\n", n);

	int* pn = &n;
	*pn = 10;

	printf("m=%d n=%d\n", m, n);
	return 0;
}

但是我们使用const修饰n就是不希望n值会被修改，虽然通过地址我们可以改变n的值，这样就与我们最开始使用const修饰冲突了。
那么我们如何进一步避免通过地址修改n？

（二）const修饰指针变量

#include <stdio.h>

//代码1
void test1()
{
	int n = 10;
	int m = 20;
	int* p = &n;	//创建一个指向n的指针变量p ，p现在指向与n相同的内存位置
	*p = 20;//ok?	ok	使用“*”运算符来解引用一个指针变量时，将获得该内存位置的值
	p = &m; //ok?	OK	//将m的地址赋给p，现在p指向与m相同的内存位置
}//通过指向n的地址，修改n的值；	
//创建了一个指向n的指针p,然后将p更改为指向m


void test2()
{
	//代码2
	int n = 10;
	int m = 20;
	const int* p = &n;	//const在*左侧，修饰*p，*p不可修改
	*p = 20;//ok?		//no
	p = &m; //ok?		//ok
}

void test3()
{
	int n = 10;
	int m = 20;
	int* const p = &n;	//const在*右侧，p左侧，修饰p，p指向的内存位置无法改变
	*p = 20; //ok?	//ok
	p = &m; //ok?		//no
}

void test4()
{
	int n = 10;
	int m = 20;
	int const* const p = &n;//*p，p都被const修饰
	*p = 20; //ok?	//no
	p = &m; //ok?		//no
}

int main()
{
	//测试无const修饰的情况
	test1();
	//测试const放在*的左边情况
	test2();
	//测试const放在*的右边情况
	test3();
	//测试*的左右两边都有const
	test4();
	return 0;
}

结论：const修饰指针变量的时候

• 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

（一）指针±整数

因为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+- 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?就是指针+整数
	}
	return 0;
}

（二）指针-指针

//指针-指针 
#include <stdio.h>
int my_strlen(char* s)//传指针
{
	char* p = s;//接收
	while (*p != '\0')
		p++;//p等于字符串中元素个数
	return p - s;
}
int main()
{
	printf("%d\n", my_strlen("abc"));
	return 0;
}

（三）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???较
	{
		printf("%d ", *p);
		p++;
	}
	return 0;
}

六、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、不确定的、没有明确限制的）

（一）野指针成因

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;
}

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;
}

指针指向的空间释放

#include <stdio.h>
int* test()
{
	int n = 100;
	return &n;
}

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

（二）如何规避野指针

指针初始化

如何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，读写改地址会报错。

//初始化
#include <stdio.h>
int main()
{
	int num = 10;
	int* p1 = &num;
	int* p2 = NULL;

	return 0;
}

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。

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。对于指针在使用之前，我们也要判断是否为NULL，如果是不能直接使用，如果不是我们再去使用。

int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	int* p = &arr[0];
	for (int 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;
}

避免返回局部变量的地址

如造成野指针的第3个例子，不要返回局部变量的地址。

七、assret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 版本不影响用户使用时程序的效率。

八、指针的使用和传址调用

（一）strlen 的模拟实现

库函数 strlen 的功能是求字符串长度，统计的是字符串中\0前的字符的个数。
函数原型为：

size_t strlen ( const char * str );

参数str接受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，最终返回长度。
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。
参考代码如下：

//strlen 的模拟实现
#include <stdio.h>
#include <assert.h>
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;
}

（二）传值调用和传址调用

写一个函数，交换两个整型变量的值

#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;
}

我们明显可以看到并没有发生交换，这是为什么吗？
将函数的实参传递给形参时，形参是实参的一份临时拷贝，这事我们将变量本身的值传递给了函数，这种调佣函数的方式，叫做传值调用。

**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，所以创建的函数失败了。

那么在上面我们了解到变量被const修饰时，可以通过地址去修改。那么我们能否将地址传递到函数中，通过地址完成交换的目的。

#include <stdio.h>

void Swap2(int* pa, int* pb)
{
	int tmp = 0;
	tmp = *pa;
	*pa = *pb;
	*pb = 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);
	Swap2(&a, &b);
	printf("交换后：a=%d b=%d\n", a, b);
	return 0;
}

传址调用：调用Swap2函数的时候是将变量的地址传递给了函数。

传址调用，可以让函数和主调函数之间建立真正的联系，在函数内部可以修改主调函数中的变量;所以未来函数中只是需要主调函数中的变量值来实现计算，就可以采用传值调用。如果函数内部要修改主调函数中的变量的值，就需要传址调用。