初步认识指针

发布时间:2024年01月10日

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一:内存和地址

1.1 内存

1.2 究竟该如何理解编址

二:指针变量和地址

2.1取地址操作符(&)

2.2指针变量和解引用操作符(*)

2.2.1指针变量

2.2.2如何拆解指针类型

2.2.3解引用操作符

2.3指针变量的大小

三:指针变量类型的意义

3.1指针的解引用

3.2指针+-整数

3.3void*指针

四:const修饰指针

4.1 const修饰变量

4.2const修饰指针变量

五:指针运算

5.1指针-+整数

5. 2 指针-指针

5.3 指针的关系运算

六:野指针

6.1野指针成因

6.2如何规避野指针

6.2.1指针初始化

6.2.2小心越界

6.2.3指针变量不再使用时,及时置NULL,指针使用之前检查有效性

七:assert断言

八:指针的使用和传址调用

8.1strlen函数的模拟实现

8.2 传值调用和传址调用


一:内存和地址

1.1 内存

? 在了解内存和地址之前,我们想有个生活中的案例:
? 假设有?栋宿舍楼,把你放在楼里,楼上有100个房间,但是房间没有编号,你的?个朋友来找你玩如果想找到你,就得挨个房子去找,这样效率很低,但是我们如果根据楼层和楼层的房间的情况,给每个房间编上号,如:
?楼:101,102,103...
?楼:201,202,203....
...
? 有了房间号,如果你的朋友得到房间号,就可以快速的找房间,找到你。
? 生活中,每个房间有了房间号,就能提?效率,能快速的找到房间。
? 如果把上面的例子对照到计算中,又是怎么样呢?
? 我们知道计算上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,那我们买电脑的时候,电脑上内存是8GB/16GB/32GB等,那这些内存空间如何高效的管理呢?
? 其实也是把内存划分为?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 (补充):
? ?个比特位可以存储?个2进制的位1或者0
bit - ?特位
byte - 字节
KB
MB
GB
TB
PB
1byte = 8bit
1KB = 1024byte
1MB = 1024KB
1GB = 1024MB
1TB = 1024GB
1PB = 1024TB
? 其中,每个内存单元,相当于?个学生宿舍, 一个字节空间里面能放8个比特位 ,就好比同学们
住的八人间,每个人是?个比特位。每个内存单元也都有一个编号(这个编号就相当于宿舍房间的门牌号),有了这个内存单元的编号,CPU就可以快速找到一个内存空间。
? 生活中我们把门牌号也叫地址,在计算机中我们把内存单元的编号也称为地址。C语言中给地址起了新的名字叫: 指针
? 所以我们可以理解为:
? ? 内存单元的编号 == 地址 == 指针

1.2 究竟该如何理解编址

? 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工作的。所谓的互相协同工作,至少相互之间要能够进行数据传递。

? ?但硬件与硬件之间是相互独立的,那么如何通信呢?答案很简单,就是用“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

? ?CPU访问内存中的某个字节空间,必须知道这个字节在内存的什么位置,而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。

? ?钢琴,吉他上面没有写“都瑞米发嗦啦”这样的信息,但是演奏者照样能够精准找到每一个琴弦的每一个位置,这是为何?因为制造商已经在乐器硬件层面设计好了,并且所有演奏者都知道。本质是一种约定出来的共识!

? ?硬件的地址也是如此。

? ?我们可以简单理解为,32位机器有32根地址总线,每根线只有两态,表示0,1【电脉冲的有无】,那么一根线就能表示2种含义,2根线就能4种含义,以此类推,32根线,就能表示2的32次方种含义。而且32根地址总线产生32个信息,转化为二进制,组成32位机器下的一个地址。

? 地址被下达给内存,在内存上,就可以找到该地址对应的数据,将数据再通过数据总线传入CPU内寄存器。

图示:

? 从内存中拿数据的过程叫,读:要读一个数据,通过地址定位到内存,通过数据总线给CPU

? 把数据放入内存的过程叫,:例如:CPU产生一个数字100的数据,要将100放到内存里,这是控制总线发出write的效果信号,地址总线给一个地址,表示这个数据放在内存的这个位置。


二:指针变量和地址

2.1取地址操作符(&)

? 理解了内存和地址的关系,我们再回到C语言,在C语言中创建变量其实就是向内存申请空间,比如:
? 比如,上述的代码就是创建了整型变量a,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:
? 那我们如何能得到a的地址呢?
? 这里就得学习一个操作符(&)-取地址操作符
??
? &a取出的是a所占4个字节中地址较小的字节的地址
? 虽然整型变量占用4个字节,我们只要知道了第?个字节地址,顺藤摸瓜访问到4个字节的数据也是可行的。

2.2指针变量和解引用操作符(*)

2.2.1指针变量

? 那我们通过取地址操作符(&)拿到的地址是?个数值,比如:0x006FFD70,这个数值有时候也是需要存储起来,方便后期再使用的,那我们把这样的地址值存放在哪里呢?答案是:指针变量中。
? 指针:指的是地址
? 指针变量:用来存放地址的 变量
? 一般的,口头说指针是指 指针变量。例如:pa是个指针,是指pa是个指针变量
指针变量也是?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。

2.2.2如何拆解指针类型

我们看到pa的类型是 int* ,我们该如何理解指针的类型呢?
int a = 10;
int * pa = &a;
? 这里p左边写的是 int* * 是在说明p是指针变量,而前面的 int 是在说明p指向的是整型(int)
类型的对象。

2.2.3解引用操作符

? 我们将地址保存起来,未来是要使用的,那怎么使用呢?
? 在现实生活中,我们使用地址要找到?个房间,在房间里可以拿去或者存放物品。
? C语言中其实也是?样的,我们只要拿到了地址(指针),就可以通过地址(指针)找到地(指针)指向的对象,这里必须学习?个操作符叫解引用操作符(*)
上面代码中第44行就使用了解引用操作符, *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,这个操作符是把a改成了0.
? 有人肯定在想,这里如果目的就是把a改成0的话,写成 a = 0; 不就完了,为啥非要使用指针呢?
其实这里是把a的修改交给了pa来操作,这样对a的修改,就多了?种的途径,写代码就会更加灵活,后期慢慢就能理解了。
(&:取地址,*:解引用,找到地址;所以&与*一来一去,相互抵消)

2.3指针变量的大小

? 前面的内容我们了解到,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?个地址,那么?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。
结论:
? 32位平台下地址是32个bit位,指针变量大小是4个字节
? 64位平台下地址是64个bit位,指针变量大小是8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?个平台下,大小都是?样的,为什么还要有各种各样的指针类型呢?
? 其实指针类型是有特殊意义的,我们接下来继续往下看。

3.1指针的解引用

调试我们可以看到,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?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(?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。

第一个代码将a的四个字节全部改成0,但是第二个字节只是将a的第一个字节改成0.

结论:指针的类型决定了,对指针解引用的使用有多大的权限(一次能操作几个字节)

3.2指针+-整数

? 先看一段代码,调试观察地址的变化

我们可以看出,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4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)

应用:指针对数组的初步应用

3.3void*指针

? 在指针类型中有一种特殊类型是void*类型,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受任意类型地址。但是也是也有局限性,void*类型的指针不能直接进行指针的+-指针和解引用运算。

使用void*类型指针进行解引用和指针加减整数时,VS编译器下的报错

这里可以看出,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?

一般的,void*类型的指针使用在函数参数部分,用来接收不同类型的地址,这样的设计可以实行泛型编程,使得同一个函数可以处理多种类型的数据,在后续对指针的介绍中会详细介绍。


四:const修饰指针

4.1 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,怎么做呢?这就是const的作用。

上述代码中const使a不能被修改的,但是a的本质还是变量,const只是在语法上做了限制,本质不变,习惯上a为常变量

此时,我们修改a的值,就不符合const的语法,就会报错,致使无法直接修改a的值。

但是,如果我们饶过a,使用a的地址,去修改a的值就能做到了,虽然这是在打破语法规则。

我们可以看出这里a的值确实修改了,但是我们还是要想一下,我们用const修饰n的本质就是为了a不被修改,但是如果pa拿到了a的地址就能改变a,这样就改变了const的限制了,这肯定使不合理,与我们的初心是相违背的,所以应该让pa拿到a的地址也无法改变a,那该怎么弄呢?

4.2const修饰指针变量

让我们分析以下代码,以此来找到上述问题的答案。

代码一:

在没有const修饰的情况下,pn拿到n的地址后,可以通过pn修改n的值,并且可以改变pn指向的对象,让pn存放m的地址。

代码二:

通过代码二,可以看出,当const修饰在*左边时,不管const在int的左边还是右边,都不能通过pn来改变n的值,但是可以改变pn的指向对象,让pn存放m的地址。

即:const限制的是*pn,不能通过pn来改变pn指向的空间的内容;不限制pn,所以pn可以存放n的地址,也可以存放m的地址

代码三:

通过代码三,可以看出,当const放在*右边时,可以通过pn来改变n的值,但是不能改变pn的指向对象,pn只能存放n的地址,不能再变存放其他变量的地址。

即:cosnt限制的是pn,pn没办法再指向其他变量;没有限制*pn,可以通过pn来修改p所指的对象

代码四:

通过代码四,可以看出,当const修饰*两边时,*pn和pn都受到限制。

结论:const修饰指针变量时

1.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。

2.const如果放在*的右边,修饰的是变量本身,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修改。


五:指针运算

指针的基本运算有三种,分别是:

1.指针+-整数

2.指针-指针

3.指针的关系运算

5.1指针-+整数

因为数组再内存是连续存放的,只要知道第一个元素的地址,顺藤摸瓜就能找到后面所有元素

5. 2 指针-指针

我们先看一段代码:

由此可以看出,指针减指针是指指针和指针之间的个数,(可以理解为:从arr[0]到arr[9]要走几步),那如果是低地址减高地址呢?

由此可以看出上面的结论并不完全全面。

结论:指针减指针的绝对值是指针和指针之间的个数(前提:两个指针指向同一个空间

应用:模拟strlen函数

首先,回顾一下strlen函数的使用

strlen统计的是字符串'\0'之前的字符个数

模拟strlen函数:

5.3 指针的关系运算

指针(地址)比较大小


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,不正确的,没有明确限制的)

6.1野指针成因

1.指针未初始化

2.指针越界访问

3.指针指向的空间释放

当出函数以后,n原本的所在地址里存放的100就已经销毁了,此时p指向这个空间就是非法空间,这样看结果没有什么不对的,但是一旦在打印之前,随便加点什么,破坏了函数的栈,打印的值就不确定了

6.2如何规避野指针

6.2.1指针初始化

如果明确知道指针只想哪里就直接赋值,如果不知道指针指向指向哪里,可以给指针赋值NULL。NULL是C语言的一个标识符常量,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。

#ifdef __cplusplus
 #define NULL 0
 #else
 #define NULL ((void *)0)
 #endif

6.2.2小心越界

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。

6.2.3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?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。因为约定俗成了一个规则就是: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。
我们可以把野指针想象成野狗,野狗放任不管是非常危险的,所以我们可以找?棵树把野狗拴起来,就相对安全了,给指针变量及时赋值为NULL,其实就类似把野狗栓前来,就是把野指针暂时管理起来。
不过野狗即使拴起来我们也要绕着走,不能去挑逗野狗,有点危险;对于指针也是,在使用之前,我们也要判断是否为NULL,看看是不是被拴起来起来的野狗,如果是不能直接使用,如果不是我们再去使用。

七:assert断言

assert.h 头件定义了宏 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?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a ssert() 有几个好处:它不仅自动标识文件和出问题的行号,还有?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

8.1strlen函数的模拟实现

库函数strlen的功能是求字符串长度,统计的是字符串中 \0 之前的字符的个数。
函数原型如下:
? ? ? ? ? ? ? ? 1 size_t strlen ( const char * str );
参数str接收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:
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;
}

8.2 传值调用和传址调用

学习指针的目的是使用指针解决问题,那什么问题,非指针不可呢?
文章来源:https://blog.csdn.net/2301_80096514/article/details/134712579
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