C语言实验4：指针
目录
一、实验要求
- 掌握指针和间接访问的概念，会定义和使用指针变量。
- 能正确使用数组的指针和指向数组的指针变量。
- 能正确使用字符串的指针和指向字符串的指针变量。
二、实验原理
指针是C语言中非常重要且强大的概念之一。它提供了直接访问内存地址的能力，使得程序可以更加灵活地处理数据。
1. 指针的基本概念
1.1 指针的定义
?指针是一个变量，其值是另一个变量的地址。通过指针，可以直接访问存储在该地址上的数据。
int *ptr; // 定义一个指向整数的指针
1.2 取地址运算符（&）
用于获取变量的地址。
int num = 10;
int *ptr = # // ptr指向num的地址
例如
#include<iostream>
using namespace std;
int main() {
int a=10,*ptr;
ptr = &a;
cout << a <<" "<<ptr;
return 0;
}
它的结果是
表面a的地址为000000ECA8AFF794，共16*4=64位二进制
那么下面的代码为什么地址不相邻呢？
#include<iostream>
using namespace std;
int main() {
int a=10,b=11,*ptr,*ptr1;
ptr = &a;
ptr1 = &b;
cout << a <<" "<<ptr<<endl;
cout << b << " " << ptr1;
return 0;
}
在C语言中，连续定义的两个变量的地址是否相邻，与多个因素有关，其中包括编译器、优化选项、操作系统的内存分配策略等。
对齐（Alignment）： 许多体系结构要求数据按照某种规定的边界对齐，以提高访问速度。因此，编译器可能会在变量之间插入填充字节，以确保数据按照正确的边界对齐。这导致即使两个变量类型相同，它们的地址也可能不相邻。
优化： 编译器可能会对代码进行优化，包括对变量的存储和访问进行优化。这可能导致变量的地址不是按照它们在代码中的声明顺序来分配的。
内存分配策略： 操作系统对于内存的分配策略也可能影响变量的地址分布。例如，在某些情况下，操作系统可能会使用随机化技术来增加系统的安全性，这会导致变量的地址不再是连续的。
数据类型： 如果定义的变量类型不同，它们的大小可能也不同，这会影响它们在内存中的布局。
1.3 间接引用运算符（*）
用于访问指针所指向地址上的值。?
int value = *ptr; // value等于num的值，通过ptr间接引用
例如
#include<iostream>
using namespace std;
int main() {
int a=10,*ptr,value;
ptr = &a;
value = *ptr;
cout << a <<" "<<ptr<<" " <<value<< endl;
return 0;
}
结果为
即指针ptr为地址，*ptr代表一个数，&a代表a的地址，&a和ptr可以交换值，属于同一类型
*ptr代表数，a代表数，两者可以交换值，属于同一类型
2. 指针的基本操作
2.1 指针的赋值
可以将一个指针指向另一个变量的地址。
int num1 = 10;
int num2 = 20;
int *ptr = &num1; // ptr指向num1的地址
ptr = &num2; // ptr现在指向num2的地址
例如
#include<iostream>
using namespace std;
int main() {
int num1 = 10, num2 = 20;
int* ptr = &num1;
cout << *ptr <<" "<<ptr<< endl;
ptr = &num2;
cout << *ptr << " " << ptr;
return 0;
}
结果为
2.2 空指针
指向地址为0的指针被称为空指针。
int *ptr = NULL; // ptr是一个空指针
可以猜测一下下述代码的输出结果是什么
#include<iostream>
using namespace std;
int main() {
int* ptr = NULL;
cout << *ptr <<" "<<ptr<< endl;
return 0;
}
答案是！
那空指针有什么作用呢？
1.标记未初始化的指针： 在定义指针变量但尚未为其分配有效内存地址之前，可以将指针初始化为
NULL，表示它当前不指向任何有效的内存区域。2.避免野指针： 将指针初始化为
NULL可以避免使用未初始化的指针（野指针），从而减少程序中出现的错误。3.指针作为空指针常量： 用
NULL表示空指针常量，提高代码的可读性。在函数参数或返回值中，空指针常常用于表示某个指针不指向有效的内存。void process_data(int *data) { if (data != NULL) { // 处理有效的数据 } else { // 处理空指针情况 } }4.动态内存分配失败的标志： 在动态内存分配时，如果分配失败，
malloc或calloc通常会返回NULL，这可用于检测内存分配是否成功。int *dynamicPtr = (int*)malloc(sizeof(int)); if (dynamicPtr == NULL) { // 内存分配失败 // 处理错误的代码 }5.函数返回空指针： 有时，函数可能返回一个空指针作为错误或特殊情况的标志。
int *find_element(int key) { // 查找元素... if (element_not_found) { return NULL; } // 找到元素，返回指向元素的指针 }
3. 指针和数组
3.1 数组和指针的关系
数组名本身就是一个指针，指向数组的第一个元素的地址。
int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int *ptr = arr; // ptr指向arr的第一个元素
记住是arr为地址，不是&arr!?
?3.2?指针和数组的结合
通过指针可以遍历数组的元素。
for (int i = 0; i < 5; ++i) {
printf("%d ", *(ptr + i)); // 打印数组元素的值
}
例如
#include<iostream>
using namespace std;
int main() {
int* ptr;
int a[5] = { 1,2,3,4,5 };
ptr = a;
for (int i = 0; i < 5; i++) {
cout << "第" << i << "个元素为" << *(a + i) << "其地址为"<<a+i<<endl;
}
return 0;
}
结果为?
4. 指针和函数
4.1 指针作为函数参数
可以通过指针在函数间传递数据。
void modifyValue(int *ptr) {
*ptr = 100;
}
int main() {
int num = 10;
modifyValue(&num);
// 现在num的值变成了100
return 0;
}
但是如果不用指针呢？
#include<iostream>
using namespace std;
void modifyValue(int ptr) {
ptr = 100;
}
int main() {
int num = 10;
modifyValue(num);
cout << num;
return 0;
}
结果是10，所以指针的作用就体现出来了
在这段代码中，问题出现在modifyValue函数的参数类型和传递方式上。在C中，函数参数可以通过值传递或引用传递。在这里，modifyValue函数使用的是值传递，这意味着函数接收到的是实参的一个副本而不是实参本身。
当你调用modifyValue(num)时，将num的值（10）传递给modifyValue函数的形参ptr。在函数内部，ptr被修改为100，但这仅仅是对形参的修改，不会影响实参 num 的值。
所以，当你在main函数中输出num的值时，输出的是原始的值，即10，而不是在modifyValue函数内修改后的值100。
4.2 指针作为函数返回值
函数可以返回指针，使得函数能够返回动态分配的内存。
int* createArray(int size) {
int *arr = (int*)malloc(size * sizeof(int));
// 初始化数组...
return arr;
}
例如
#include<iostream>
using namespace std;
int* createArray(int size) {
int* arr = (int*)malloc(size * sizeof(int));
return arr;
}
int main() {
int* ptr;
ptr = createArray(5);
cout << ptr<<" "<<* ptr;
return 0;
}
?结果为
为什么*ptr即数组的第一个值那么奇怪呢？
是因为数组只是分配了空间，并没有赋值
5. 动态内存分配
5.1 malloc 和 free 函数
用于动态分配和释放内存。
int *ptr = (int*)malloc(sizeof(int)); // 分配一个整数大小的内存
// 使用ptr...
free(ptr); // 释放内存
sizeof 是一个在 C 和 C++ 等编程语言中常用的操作符，用于获取数据类型或变量在内存中所占用的字节数。sizeof 的语法如下
sizeof(type)
sizeof(expression)
其中，type 是数据类型，而 expression 则是一个表达式或变量。sizeof 返回一个 size_t 类型的值，表示参数所占用的字节数。常用于分配内存。
malloc 是 C 语言中的一个函数，用于动态分配内存。它的名字来源于 "memory allocation"（内存分配）。malloc 函数接受一个参数 size，表示要分配的内存字节数。它返回一个 void 指针，指向分配的内存的起始地址。可以将其转换为适当的类型，以便进行正确的使用。
上述转化为int型指针
free 函数用于释放通过动态内存分配函数（如 malloc、calloc、realloc 等）分配的内存空间。free 函数接受一个指针 ptr，该指针应该是通过动态内存分配函数分配的内存的起始地址。调用 free 函数会将相应的内存空间标记为可用，以便后续的内存分配操作可以使用该空间。
三、实验内容
3.1
将n个数按输入时的顺序逆序排列，用函数实现。
代码
#include<iostream>
using namespace std;
void sort(int* p, int* q, int n) {
for (int i = 0; i < n; i++) {
*(q + i) = *(p + n - 1 - i);//将q指针所代表的数组的第n-i个元素赋值给p指针所代表的数组的第i+1个元素
}
}
int main() {
int a[100],b[100],n,*ptr1,*ptr2;
ptr1 = a;
ptr2 = b;
cout << "请输入所需要输入的元素数目：";
cin >> n;
for (int i = 0; i < n; i++) {
cin >> *(ptr1 + i);
}
sort(ptr1, ptr2, n);
for (int i = 0; i < n; i++) {
cout << *(ptr2 + i)<<" ";
}
return 0;
}
截图
分析
void sort(int* p, int* q, int n)：这是一个排序函数，接受两个指向整数数组的指针p和q，以及数组的大小n。该函数通过将数组p中的元素逆序复制到数组q中来实现排序。
int main()：主函数包含以下步骤：
- 定义两个数组
a和b，以及两个指向整数的指针ptr1和ptr2。- 用户输入所需输入的元素数目
n。- 通过指针
ptr1输入数组a的元素。- 调用
sort函数，将数组a中的元素逆序复制到数组b中。- 输出数组
b中的元素，即排序后的结果。在
sort函数中，通过循环遍历数组，将数组p中的元素逆序复制到数组q中。这通过使用指针算术实现，*(q + i) = *(p + n - 1 - i)将数组p中的第n-i个元素赋值给数组q中的第i+1个元素。
3.2
将一个5×5的矩阵（二维数组）中最大的元素放在中心，4个角分别放4个最小的元素（顺序为从左到右，从上到下依次从小到大存放），写一函数实现。用main函数调用。?
代码
#include<iostream>
using namespace std;
int min_max = -9999, index = 0, b[4] = { 0,4,20,24 };//b数组为快速索引,index为min数组中最大元素的序列号
int find_min_max(int* ptr) {//找出四个元素中的最大值
min_max = -9999;
for (int i = 0; i < 4; i++) {
if (*(ptr + i) >= min_max) {
min_max = *(ptr + i);
index = i;
}
}
return min_max;
}
int compare(const void* a, const void* b) {
// 比较函数，用于指定排序规则
// 返回负数表示 a < b
// 返回零表示 a == b
// 返回正数表示 a > b
return (*(int*)a - *(int*)b);
}
void change(int *ptr) {
//找到最大元素和最小的四个元素
int max = -9999;
int min[4] = { 9999,9999,9999,9999 };
int* ptr2=min;
//找最大元素和最小的四个元素
for (int i = 0; i < 25; i++) {
if (*(ptr + i) > max) {
max = *(ptr + i);
}
min_max = find_min_max(ptr2);
if (*(ptr + i) < min_max) {//满足进入四个最小元素的数组
*(ptr2 + index) = *(ptr + i);//替换位置
}
}
//对四个最小元素的位置进行排序
qsort(ptr2, 4, sizeof(int), compare);
//更换位置
for (int i = 0; i < 25; i++) {
if (*(ptr + i) == max) {//如果是最大元素
int temp = *(ptr + 12);
*(ptr + 12) = max;
*(ptr + i) = temp;
continue;
}
}
for (int i = 0; i < 25; i++) {
for (int j = 0; j < 4; j++) {//如果是较小元素
if (*(ptr + i) == min[j]) {
int temp = *(ptr + b[j]);
cout << "temp " << temp << endl;
*(ptr + b[j]) = min[j];
*(ptr + i) = temp;
continue;
}
}
}
}
int main() {
int a[5][5],* ptr1;
ptr1 = a[0];
for (int i = 0; i < 5; i++) {
for (int j = 0; j < 5; j++) {
cin >> a[i][j];
}
}
change(ptr1);
for (int i = 0; i < 5; i++) {
for (int j = 0; j < 5; j++) {
cout<< a[i][j]<<" ";
}
cout << endl;
}
return 0;
}
截图
分析
变量定义和初始化：
int min_max = -9999, index = 0, b[4] = { 0,4,20,24 };：定义了全局变量，其中min_max用于存储四个元素中的最大值，index用于存储min数组中最大元素的序列号，b数组是用于快速索引的数组。
find_min_max函数：
- 该函数用于找出四个元素中的最大值，并返回这个最大值。它还会更新
index变量，以表示最大值在min数组中的位置。
compare函数：
- 这是一个比较函数，用于在后续的
qsort函数中进行数组排序。
change函数：
- 该函数对数组进行操作，找到数组中的最大元素和最小的四个元素，然后将它们的位置进行调整。
- 具体操作：
- 找到数组中的最大元素
max。- 找到数组中最小的四个元素，用
min数组保存，并通过调用find_min_max函数找到最小元素中的最大值及其位置。- 使用
qsort对min数组进行排序。- 将最大元素和最小元素的位置进行交换。
- 输出结果。
main函数：
- 定义了一个5x5的数组
a和一个指向该数组的指针ptr1。- 通过用户输入给数组
a赋值。- 调用
change函数对数组进行操作。- 输出最终的数组。
指针是C语言中非常强大和灵活的特性，但也需要小心使用，因为错误的指针操作可能导致程序崩溃或产生不可预测的结果。
指针需慎用！?
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