指针

这次的指针（Pointer）不是全部内容，因为后面的进阶部分还会更加深入。

1. 指针的定义

了解指针必须先理解内存的概念，因为指针指向的就是一个个的内存单元。

1.1 内存划分

内存是一块很大的空间，由一个个小的的内存单元组成，每一个内存单元占一字节。每个内存单元对应绑定着一个地址也就是内存单元的编号，像是身份证号一样，通过地址我们就可以唯一确定地找到一块内存单元。如：

1.2 指针与指针变量

地址直接指向了存储在内存的数据的位置。由于能通过地址找到所标识的变量，也就是地址指向了唯一确定的内存单元，故将地址形象化称为指针。

定义一个整型变量a，就是在内存中给它分配了4个字节的空间。由此我们也能看出定义变量的本质就是在内存中分配空间。变量a的第一个字节的地址为0x0012ff40，它就代表变量a的地址。

定义一个“指针”指向一个变量a。我们用&a把变量a的地址取出来，再放到变量pa中，由于变量pa中存的是地址，所以用类型int*去定义变量pa。

int * pa = &a; 

这样的变量pa也是真实存在于内存中的一个变量，其中存储的是地址编号。这样的变量叫指针变量。

1. 指针即地址，地址即指针。
2. 指针变量是存放地址的变量，其中的内容都被当作地址处理。

一般指针变量经常被人们简称为指针，我们要去从语境中区分他人说的是指针还是指针变量。

1.3 指针的大小

一个内存单元有多大？地址是如何进行编号的？

首先我们分析一下，内存单元的大小为什么是一个字节。

对于32位机器，即32根地址线，每一个地址线在寻址时产生的电信号（正电/负电）转化为数字信号 ，正点就是1，负电就是0。更通俗来说，通电即为1，没通电就是0。

那么32根地址线有多少种01组合呢，高中的排列知识就可以说明共有 $2^{32}$ 种01序列。即从32个全0到32个全1。

00000000 00000000 00000000 00000000

00000000 00000000 00000000 00000001

… …

11111111 11111111 11111111 11111110

11111111 11111111 11111111 11111111

当然64位机器，就有 $2^{64}$ 种排列组合。既然我们32位机器上，有 $2^{32}$ 种排列组合。

每一个二进制序列就是一个内存单元的编号，那么就有 $2^{32}$ 个内存单元可供使用，转化为十进制就是 $4,294,967,296$。如果每个内存单元是1bit 大小的话，那么除以8就有 $536,870,912$ 个byte，就有 $524,288$ 个kb，再除以1024就是我们熟悉的 $512$ 个MB，约含半个GB。这样的话一个char类型的变量就需要8个地址，是不是太浪费了？假设每个内存单元是1个byte的话，转化到最后正好是4个GB。这就正好了，最早期的时候只有1个或者2个GB。

指针变量用来存储地址，一个地址就是32个比特位，那么正好需要4个字节。所以无论是什么类型，指针变量的大小都是4个字节。当然，32位机器指针的大小为4个字节，64位机器下指针大小为8个字节。

2. 指针的类型

int a = 10;
int * pa = &a;

• * 代表pa是指针
• int 代表pa所指向的变量类型为int

变量有不同的类型，很明显指针变量也应该有不同的类型。可是依据前面的推导，不管什么类型的指针变量，32位平台下大小都是4个字节，那指针的类型有什么作用呢？体现在两个方面，一是指针解引用，二是指针加减整数。

2.1 指针解引用方面

int a = 0x11223344;
int* pa = &a;
*pa = 0; 

我们先创建一个变量a，并用指针变量pa指向它，然后再对pa解引用把a置为0，我们可以从内存中看到：

这个结果大家都能猜到，那么接下来我们对指针变量的类型稍作修改，把int* pa改成char* pa。

这样的话，区别就有了，int* 的指针访问并修改了4个字节的内容，而char* 的指针只修改了1个字节的内容。所以指针解引用操作时能够访问的字节（内存大小）。

2.2 指针 ± 整数方面

现在我们再用不同类型的指针分别指向同一个变量，对其+1。如：

可以看到int*型的指针+1向后跳过了4个字节，char*型的指针+1向后跳过了1个字节。所以指针±整数时能跳过几个字节（步长）。

2.3 总结

指针类型决定了：

1. 指针解引用操作时能够访问的字节（内存大小）。
2. 指针±整数时能跳过几个字节（步长）。

这样的话，我们用不同类型的指针，就可以实现跳过不同的字节，继而更细致的访问变量内容。如：

int arr[10] = { 0 };
//1.
int* pa = arr;
//2.
char * pa = arr;
for (int i = 0; i < 10; i++)
{*(pa + i) = 1;
}

两种不同的指针，带来不同的效果，如图所示：

第一种是一个整型一个整型访问数组元素，第二个是一个字符一个字符地访问数组。如：

3 野指针

3.1 野指针的定义

指向不明确的位置（随机的，不正确的，无明确限制的）的指针是野指针。不正确的位置就是指向了没有分配的内存空间，造成越界访问。

3.2 野指针的成因

1. 指针未初始化

int* p; //未初始化 
*p = 20;

2. 指针越界访问

int arr[10] = { 0 };
int* p = arr;
for (int i = 0; i <= 10; i++) //越界访问
{*(p + i) = i;
}

越界勉强不报错，但不能越界访问^_^。

Example

int* test()
{int a = 10;return &a;
}
int main()
{int* p = test();printf("%d\n", *p); //野指针越界访问return 0;
}

这里的a是test函数中定义的，出了作用域就会被销毁，所以我们这里打印*p就属于越界访问。

但我们这执行程序仍能发现结果是10，这是为什么呢？

原因是a变量所占的空间回收后操作系统还未将其销毁，编译器对其作一次保留。而且传参先行于调用，所以再调用printf函数之前就*p就已经替换为10。

我们稍作修改，在打印*p的前面再调用一次printf函数，如：

int* test()
{int a = 10;return &a;
}
int main()
{int* p = test();printf("hehe\n");printf("%d\n", *p);return 0;
}

这次调用printf函数，使得原来分配给a的空间被覆盖，又分配给了printf函数。栈区的使用习惯就是压栈弹栈（如果不了解的话可以去看看栈区空间的开辟和销毁）。

那如果我们把打印printf("%d\n", *p);改为赋值语句*p = 20;的话，如：

int* test()
{int a = 10;return &a;
}
int main()
{int* p = test();*p = 20;//访问非法内存return 0;
}

编译器就直接检测出这块空间是非法内存，就会直接报错。

3. 指针指向空间已释放

从上面的例子也可以看出，指针p指向test函数原先占有的已被释放的内存空间，这也是一件非常危险的事情，必然会成为野指针。动态内存开辟的地方也会将指向动态开辟的内存的指针free掉，这也是防止其成为野指针。

3.3 如何规避野指针

1. 明确指针初始化，确定指向

int* p = &a;
int* p =NULL;//不知道该指向何处时，置为空NULL

2. 谨防指针越界

3. 指针指向空间释后，立即置为NULL

4. 避免函数返回局部变量地址

void test(int x) 
{
return &x //err调用结束后形参已经销毁，返回地址无意义
}

5. 检查指针有效性

空指针不可解引用。

if(p != NULL) 
{*p=20;//检验不为空指针，再使用
}

或者直接用assert断言函数，assert(p)判断指针p是否为空指针，如有误返回错误信息。

4 指针运算

当然指针的解引用操作也算是指针的运算，但我们这里仅考虑一下三类，毕竟指针解引用是基本运算。

指针加减整数所得还是指针，就像日期加天数后还是日期。而指针减指针所得为元素个数，就像日期减日期为天数，从这个例子也可以看出来指针加指针是没有意义的。

4.1 指针 ± 整数

float values[N_VALUE];
float* vp = values;
for (vp = &values[0]; vp < &values[N_VALUE];)
{*vp++=0;
}

上述代码，依靠指向数组的指针循环遍历置零。

• 循环体内，vp先++后*，尽管++的优先级比*要高，但是后置++是先使用再++。

所以仿佛是对指针先解引用再++的。

• float类型指针的加一，跳过一个float类型的长度，故跳到下一个元素。

不论指针是什么类型，指针++，都是跳过一个类型的长度。

• 当vp指向数组最后一个元素其后的地址，不满足条件，结束循环。

该地址虽不属于数组，但仅是用所判断大小的条件(地址有高低)，没有访问该地址的内容，所以不算越界访问。

本例子涉及到了两个指针的运算：指针加减整数，也就是指针++。指针的关系运算，指针相互比大小作判断条件。指针加整数即指针向后跳整数个类型大小的字节，再来看看指针减整数。

如图所示，指针p-1就是指针p向前跳一个类型的大小。指针加减整数即指针向后或向前跳过整数个类型大小的字节。

4.2 指针-指针

指针可以减去指针，代表两个地址之间的”差距“。那可以用指针加上指针吗？相当于两个地址相加是没有意义的。

int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
printf("%d\n", &arr[9] - &arr[0]);

这题答案是什么？是36还是9？答案是9，语法规定指针-指针，得到的是两地址之间的元素个数（下标相减）。当然两地址间的元素个数，也可以理解为所占字节大小除以类型大小。

那要是在不同的数组中运算呢？如：

int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
char ch[] = { '1','2','3' };
printf("%d\n", &arr[9] - &ch[0]);

编译器不会报错，因为没有语法错误。但是所得到的数字即元素的个数，该元素是int类型还是char类型的呢？所以这数字根本就是没有意义的。

所以我们得到指针相减运算的前提：是两指针指向同一块空间，如同一个数组。

• 指针-指针的前提：是两指针指向同一块空间。

• 指针-指针，得到的数字的绝对值是两地址之间的元素个数。

应用：实现strlen函数

int my_strlen(const char* s) 
{char* begin = s;      //标记开头while(*s++);          //s先++再判断是否为\0return s - begin - 1; //指针相减
}

4.3 指针关系运算

将指针加减整数代码例子拿过来稍作修改。

//1.
for(vp = &values[N_VALUE];vp > &values[0];) {*--vp = 0;
}

把数组后面的空间，也想象成数组内容根据数组下标拿取是可以的，毕竟数组在内存中是连续存放的。从后往前遍历，先--再解引用，就不会造成数组越界访问。我们再稍作修改：

//2.
for(vp = &values[N_VALUE-1];vp >= &values[0];vp--) {*vp = 0;
}

最后一次遍历时，指针指向values[0]前面的一块地址，当然再回来判断时不满足条件，就退出循环。

尽量选择第一种方法，因为C语言标准规定：允许指向数组的指针，与指向数组最后元素之后的内存位置进行比较，但不允许与首元素之前的位置进行比较。如图：

原因是编译器可能会在数组前的位置存储和数组有关的信息，如数组元素个数等。这样可能会影响到程序的运行。

指针也是地址，地址是编号是数字，就可以进行比较大小。指针的关系运算就是比较大小。

5 指针和数组

指针和数组之间有什么区别，有什么联系吗？

• 数组是一个相同类型元素的集合，其中元素存放在连续的空间中。数组的大小取决于元素类型和元素个数。

• 指针存储地址，是一个变量。指针的大小固定为4 (32bit) / 8 (64bit)。

int arr[10] = { 0 };
printf("%p\n", arr);      //0x0012ff40
printf("%p\n", &arr[0]);  //0x0012ff40

由此可得：数组名就是数组首元素的地址。

ps：以下两种情况数组名代表整个数组，除该两种情况外，数组名都代表首元素地址。

1. sizeof(arr)
2. &arr

数组名可以作为地址，存放在指针变量中，我们就可以通过指针访问数组。

事实上，数组作函数形参时，都是降级优化为指针的，一整个数组是传不过去的。不过这也是后话了。

int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
int* p = arr;
for (int i = 0; i < sz; i++)
{printf("&arr[%d] = %p <===> p+%d = %p\n", i, &arr[i], i, p + i);
}

也就是说，p+i其实就是数组arr下标为i的地址，本质上二者就是一回事。

6. 二级指针

6.1 多级指针的定义

顾名思义，二级指针就是用来存放一级指针的地址的，通过二级指针也可以访问到一级指针。

1. 首先创建了一个变量a，存了10，所以它的类型为int，变量的地址为0x0012ff40。
2. 然后取出a的地址，再创建了一个新的变量pa，并把&a存了进去，所以它的类型为int*（一级指针），变量的地址为0x004ffabc。
3. 最后又创建了一个新的变量ppa，把&p存了进去，所以它的类型为int**（二级指针）。

通过ppa里p的地址，可以找到p，通过p里a的地址，也可以找到a。

6.2 类型中“*”的含义

灰框中的*代表变量是一个指针变量。

• 一级指针p前面的int表示p指向的对象a是int型的。
• 二级指针pp前面的int*表示pp指向的对象p的类型是int*型的。
• 三级指针ppp前面的int**表示ppp指向的对象pp的类型是int**型的。

6.3 多级指针的使用

*p = 1;
* *pp = 2;
* * *ppp = 3;

如上述代码所示，我们一级一级分析。

• 对一级指针p解引用*p，找到a。
• 对二级指针pp解引用*pp，找到p，再解引用**pp，找到a。
• 对三级指针ppp解引用*ppp找到pp，再解引用**ppp，找到p，再解一次引用***ppp，找到a。

所以可以看出，有多少级指针，就要解多少次引用。

7 指针数组

7.1 指针数组的定义

在回答何为指针数组前，我们先来看何为整型数组，何为字符数组。

int arr[10] = {0};
//整型数组 - 存放整型变量的数组
char ch[10] = {'0'};
//字符数组 - 存放字符变量的数组

通过类比整型数组和字符数组，可以得到指针数组就是存放指针变量的数组。

数组名前的类型int和char表示，数组元素的类型是int或者char。所以指针数组名前的类型名就是int*或者是char*。如：

//整型指针数组
int* parr[10];
//字符型指针数组
char* pch[5];

对于整型指针数组，每个元素都是整型变量的地址，对于字符型指针数组，每个元素都是字符型变量的地址。由此也可以看出，指针数组的大小，仅取决于数组元素个数。

7.2 指针数组的使用

int arr[] = { 10,20,30 };
int* parr[5] = {NULL};
//输入
for (int i = 0; i < 3; i++)
{parr[i] = &arr[i];
}
//输出1.
for (int i = 0; i < 3 ; i++)
{printf("%d ", *parr[i]);
}
//输出2.
for (int i  = 0; i < 3; i++)
{printf("%d ", **(parr+i));
}

1. 切记要么初始化要么指定大小。指针数组记得内容初始化为空指针。
2. 指针数组遍历数组元素打印时，记得要解引用。用数组名+i遍历数组元素时，就要解两层引用。

目前对应指针数组就理解到这个层次，后续还会学习指针的进阶。