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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&
。
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:
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:
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:
*
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*
和char*
,而不是float
和char
,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:
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:
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:
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:
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:
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:
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:
【示例】通过指针交换两个变量的值。
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。
假设有一个 int 类型的变量 a,pa 是指向它的指针,那么*&a
和&*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。
*
的总结
在我们目前所学到的语法中,星号*
主要有三种用途:
int a = 3, b = 5, c; c = a * b;
,这是最容易理解的。int a = 100; int *p = &a;
。int a, b, *p = &a; *p = 100; b = *p;
。
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