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关于指针

发布时间:2019-05-22

计算机中所有的数据都必须放在内存中,不同类型的数据占用的字节数不一样,例如 int 占用4个字节,char 占用1个字节。为了正确地访问这些数据,必须为每个字节都编上号码,就像门牌号、身份证号一样,每个字节的编号是唯一的,根据编号可以准确地找到某个字节。

下图是 4G 内存中每个字节的编号(以十六进制表示):


我们将内存中字节的编号称为地址(Address)或指针(Pointer)。地址从 0 开始依次增加,对于 32 位环境,程序能够使用的内存为 4GB,最小的地址为 0,最大的地址为 0XFFFFFFFF。

下面的代码演示了如何输出一个地址:

#include <stdio.h>
int main(){
int a = 100;
char str[20] = "c.biancheng.net";
printf("%#X, %#X\n", &a, str);
return 0;
}

运行结果:
0X28FF3C, 0X28FF10

%#X表示以十六进制形式输出,并附带前缀0X。a 是一个变量,用来存放整数,需要在前面加&来获得它的地址;str 本身就表示字符串的首地址,不需要加&

一切都是地址

C语言用变量来存储数据,用函数来定义一段可以重复使用的代码,它们最终都要放到内存中才能供 CPU 使用。

数据和代码都以二进制的形式存储在内存中,计算机无法从格式上区分某块内存到底存储的是数据还是代码。当程序被加载到内存后,操作系统会给不同的内存块指定不同的权限,拥有读取和执行权限的内存块就是代码,而拥有读取和写入权限(也可能只有读取权限)的内存块就是数据。

CPU 只能通过地址来取得内存中的代码和数据,程序在执行过程中会告知 CPU 要执行的代码以及要读写的数据的地址。如果程序不小心出错,或者开发者有意为之,在 CPU 要写入数据时给它一个代码区域的地址,就会发生内存访问错误。这种内存访问错误会被硬件和操作系统拦截,强制程序崩溃,程序员没有挽救的机会。

CPU 访问内存时需要的是地址,而不是变量名和函数名!变量名和函数名只是地址的一种助记符,当源文件被编译和链接成可执行程序后,它们都会被替换成地址。编译和链接过程的一项重要任务就是找到这些名称所对应的地址。

假设变量 a、b、c 在内存中的地址分别是 0X1000、0X2000、0X3000,那么加法运算c = a + b;将会被转换成类似下面的形式:

0X3000 = (0X1000) + (0X2000);

( )表示取值操作,整个表达式的意思是,取出地址 0X1000 和 0X2000 上的值,将它们相加,把相加的结果赋值给地址为 0X3000 的内存

变量名和函数名为我们提供了方便,让我们在编写代码的过程中可以使用易于阅读和理解的英文字符串,不用直接面对二进制地址,那场景简直让人崩溃。

需要注意的是,虽然变量名、函数名、字符串名和数组名在本质上是一样的,它们都是地址的助记符,但在编写代码的过程中,我们认为变量名表示的是数据本身,而函数名、字符串名和数组名表示的是代码块或数据块的首地址。

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

在C语言中,允许用一个变量来存放指针,这种变量称为指针变量。指针变量的值就是某份数据的地址,这样的一份数据可以是数组、字符串、函数,也可以是另外的一个普通变量或指针变量。

现在假设有一个 char 类型的变量 c,它存储了字符 'K'(ASCII码为十进制数 75),并占用了地址为 0X11A 的内存(地址通常用十六进制表示)。另外有一个指针变量 p,它的值为 0X11A,正好等于变量 c 的地址,这种情况我们就称 p 指向了 c,或者说 p 是指向变量 c 的指针。

定义指针变量

定义指针变量与定义普通变量非常类似,不过要在变量名前面加星号*,格式为:

datatype *name;

或者

datatype *name = value;

*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:

  1. int *p1;

p1 是一个指向 int 类型数据的指针变量,至于 p1 究竟指向哪一份数据,应该由赋予它的值决定。再如:

  1. int a = 100;
  2. int *p_a = &a;

在定义指针变量 p_a 的同时对它进行初始化,并将变量 a 的地址赋予它,此时 p_a 就指向了 a。值得注意的是,p_a 需要的一个地址,a 前面必须要加取地址符&,否则是不对的。

和普通变量一样,指针变量也可以被多次写入,只要你想,随时都能够改变指针变量的值,请看下面的代码:

  1. //定义普通变量
  2. float a = 99.5, b = 10.6;
  3. char c = '@', d = '#';
  4. //定义指针变量
  5. float *p1 = &a;
  6. char *p2 = &c;
  7. //修改指针变量的值
  8. p1 = &b;
  9. p2 = &d;

*是一个特殊符号,表明一个变量是指针变量,定义 p1、p2 时必须带*。而给 p1、p2 赋值时,因为已经知道了它是一个指针变量,就没必要多此一举再带上*,后边可以像使用普通变量一样来使用指针变量。也就是说,定义指针变量时必须带*,给指针变量赋值时不能带*

假设变量 a、b、c、d 的地址分别为 0X1000、0X1004、0X2000、0X2004,下面的示意图很好地反映了 p1、p2 指向的变化:

需要强调的是,p1、p2 的类型分别是float*char*,而不是floatchar,它们是完全不同的数据类型,读者要引起注意。

指针变量也可以连续定义,例如:

  1. int *a, *b, *c; //a、b、c 的类型都是 int*

注意每个变量前面都要带*。如果写成下面的形式,那么只有 a 是指针变量,b、c 都是类型为 int 的普通变量:

  1. int *a, b, c;

通过指针变量取得数据

指针变量存储了数据的地址,通过指针变量能够获得该地址上的数据,格式为:

*pointer;

这里的*称为指针运算符,用来取得某个地址上的数据,请看下面的例子:

  1. #include <stdio.h>
  2. int main(){
  3. int a = 15;
  4. int *p = &a;
  5. printf("%d, %d\n", a, *p); //两种方式都可以输出a的值
  6. return 0;
  7. }

运行结果:
15, 15

假设 a 的地址是 0X1000,p 指向 a 后,p 本身的值也会变为 0X1000,*p 表示获取地址 0X1000 上的数据,也即变量 a 的值。从运行结果看,*p 和 a 是等价的。

上节我们说过,CPU 读写数据必须要知道数据在内存中的地址,普通变量和指针变量都是地址的助记符,虽然通过 *p 和 a 获取到的数据一样,但它们的运行过程稍有不同:a 只需要一次运算就能够取得数据,而 *p 要经过两次运算,多了一层“间接”。

假设变量 a、p 的地址分别为 0X1000、0XF0A0,它们的指向关系如下图所示:

程序被编译和链接后,a、p 被替换成相应的地址。使用 *p 的话,要先通过地址 0XF0A0 取得变量 p 本身的值,这个值是变量 a 的地址,然后再通过这个值取得变量 a 的数据,前后共有两次运算;而使用 a 的话,可以通过地址 0X1000 直接取得它的数据,只需要一步运算。

也就是说,使用指针是间接获取数据,使用变量名是直接获取数据,前者比后者的代价要高。

指针除了可以获取内存上的数据,也可以修改内存上的数据,例如:

  1. #include <stdio.h>
  2. int main(){
  3. int a = 15, b = 99, c = 222;
  4. int *p = &a; //定义指针变量
  5. *p = b; //通过指针变量修改内存上的数据
  6. c = *p; //通过指针变量获取内存上的数据
  7. printf("%d, %d, %d, %d\n", a, b, c, *p);
  8. return 0;
  9. }

运行结果:
99, 99, 99, 99

*p 代表的是 a 中的数据,它等价于 a,可以将另外的一份数据赋值给它,也可以将它赋值给另外的一个变量。

*在不同的场景下有不同的作用:*可以用在指针变量的定义中,表明这是一个指针变量,以和普通变量区分开;使用指针变量时在前面加*表示获取指针指向的数据,或者说表示的是指针指向的数据本身。

也就是说,定义指针变量时的*和使用指针变量时的*意义完全不同。以下面的语句为例:

  1. int *p = &a;
  2. *p = 100;

第1行代码中*用来指明 p 是一个指针变量,第2行代码中*用来获取指针指向的数据。

需要注意的是,给指针变量本身赋值时不能加*。修改上面的语句:

  1. int *p;
  2. p = &a;
  3. *p = 100;

第2行代码中的 p 前面就不能加*

指针变量也可以出现在普通变量能出现的任何表达式中,例如:

  1. int x, y, *px = &x, *py = &y;
  2. y = *px + 5; //表示把x的内容加5并赋给y,*px+5相当于(*px)+5
  3. y = ++*px; //px的内容加上1之后赋给y,++*px相当于++(*px)
  4. y = *px++; //相当于y=(*px)++
  5. py = px; //把一个指针的值赋给另一个指针


【示例】通过指针交换两个变量的值。

  1. #include <stdio.h>
  2. int main(){
  3. int a = 100, b = 999, temp;
  4. int *pa = &a, *pb = &b;
  5. printf("a=%d, b=%d\n", a, b);
  6. /*****开始交换*****/
  7. temp = *pa; //将a的值先保存起来
  8. *pa = *pb; //将b的值交给a
  9. *pb = temp; //再将保存起来的a的值交给b
  10. /*****结束交换*****/
  11. printf("a=%d, b=%d\n", a, b);
  12. return 0;
  13. }

运行结果:
a=100, b=999
a=999, b=100

从运行结果可以看出,a、b 的值已经发生了交换。需要注意的是临时变量 temp,它的作用特别重要,因为执行*pa = *pb;语句后 a 的值会被 b 的值覆盖,如果不先将 a 的值保存起来以后就找不到了。

关于 * 和 & 的谜题

假设有一个 int 类型的变量 a,pa 是指向它的指针,那么*&a&*pa分别是什么意思呢?

*&a可以理解为*(&a)&a表示取变量 a 的地址(等价于 pa),*(&a)表示取这个地址上的数据(等价于 *pa),绕来绕去,又回到了原点,*&a仍然等价于 a。

&*pa可以理解为&(*pa)*pa表示取得 pa 指向的数据(等价于 a),&(*pa)表示数据的地址(等价于 &a),所以&*pa等价于 pa。

对星号*的总结

在我们目前所学到的语法中,星号*主要有三种用途:

    • 表示乘法,例如int a = 3, b = 5, c;  c = a * b;,这是最容易理解的。
    • 表示定义一个指针变量,以和普通变量区分开,例如int a = 100;  int *p = &a;
    • 表示获取指针指向的数据,是一种间接操作,例如int a, b, *p = &a;  *p = 100;  b = *p;

 

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