C语言程序设计 善于指针

1 什么是指针

内存区的每一个字节有一个编号，这就是内存单元的“地址”。
由于通过地址能找到所需的变量单元，地址指向该变量单元。
将地址形象化称为“指针”，意思是通过它能找到以它为地址的内存单元。

直接访问
例如定义整型变量a，编译系统在对程序编译时给变量a分配内存单元。每一个变量都有相应的起始地址，a的起始地址为2000，如果向变量a赋值，a=3，系统根据变量名a查出它相应2000，然后将整数3存放到起始地址2000的存储单元中，这种直接按变量名进行的访问，称为“直接访问”方式。如图：

间接访问
将变量a的地址存放在另一个变量中。通过另一个变量找到变量a的地址，从而访问变量a。
指针变量就是存放地址的变量。定义一个指针变量a_pointer， 将a地址（2000）存放到a_pointer中。
a_pointer=&a;

小结：
如果一个指针变量中存放了一个整型变量的地址，则称这个变量是指向整型变量的指针变量。
指针是一个地址，指针变量是存放地址的变量。

2 指针变量

2.1 使用指针变量访问变量的例子

例题：通过指针变量访问整型变量。
编写程序和运行结果：

分析：
(1)int * pointer_1,*pointer_2;
int表示所定义的指针变量是指向整型变量的。“ * ”表示所定义的变量是指针变量。
经此定义后，他们可以指向任何整型变量（或数组元素），但是不能指向其他类型的数据（如float，double，char类型的数据）。定义了的指针变量pointer_1和pointer_2，但pointer_1和pointer_2没有赋初值，它们并未指向任何一个实际的变量。
(2)pointer_1=&a; pointer_2=&b;
使pointer_1指向a，pointer_2指向b。如下图：

(3) * pointer_1和 * pointer_2就是变量a，b。“ * ”表示“指向对象”。

2.2 怎样定义指针变量

一般形式：
基类型 * 指针变量名;
如：

左端的int是在定义指针变量是必须指定的“基类型”。指针变量的基类型用来指定此指针变量可以指向的变量的类型。例如：定义的基类型为int的指针变量pointer_1，只能指向整型变量i，j，a，b等，但不能指向浮点型变量a。
可以在定义指针变量是，同时对它初始化，如：

注意：
(1)指针变量名是pointer_1和pointer_2，而不是* pointer_1和 * pointer_2。因为a的地址是赋给指针变量pointer_1，而不是赋给* pointer_1（即变量a）。
(2)在定义指针变量时必须指定基类型。一个指针变量只能指向同一个类型的变量。
(3)变量的类型和指针变量的类型必须一致。
(4)指针变量中之能存放地址（指针），不能将一个整数赋给一个指针变量。如以下是错误示范：

常数不能赋给指针变量。

2.3 怎样引用指针变量

在引用指针变量是，有3种情况：
(1)给指针变量赋值。如：

（注：必须先定义a为整型变量，pointer_1为指向整型变量的指针变量。)
赋值后指针变量pointer_1的值是变量a的地址，pointer_1指向a。
(2)引用指针变量指向的变量。

其作用是以十进制整数形式输出指针变量pointer_1所指向的变量的值，即变量a的值。
(3)引用指针变量的值。如：

其作用是以八进制形式输出指针变量p的值，若p指向a，就输出a的地址。
例题：输入a和b两个整数，按先大后小的顺序输出a和b。
编写程序和运行结果：

分析：
该程序的核心是不交换整型变量的值，交换两个指针变量的值（即a和b的地址）。
输入a=5，b=9，由于a<b，将p1和p2的值交换，就是交换它们的指向。
交换前

交换后

指针代表的不仅是一个纯地址（即内存单元的编号），而且是一个带类型的地址。地址也是有类型的。
分析下面的定义：

定义了整型a和指向整型数据的指针变量p。
p存放a的地址，即p指向a。
&a，对整型变量a进行&操作（取地址操作）时，不仅得到a的纯地址（即内存编号，如2000），还得到a的类型（int）。总结，&a包含两个信息：纯地址和a的类型（即地址的基类型）。因此，地址2000应理解为内存编号为2000的纯地址以及它指向的数据类型。C语言中用的“地址”都是带类型的地址。

2.4 指针变量作为函数参数

函数的参数可以是指针类型的。它的作用是将一个变量的地址传送到另一个函数中。
例题：对输入的两个整数按大小顺序输出。要求用函数处理，用指针变量作函数参数。
思路：将两个变量的指针变量作为实参传递给形参的指针变量，在形参中通过指针交换两个变量的值。
编写程序和运行结果：

分析：
核心是交换a和b的值，而p1和p2的值不变。
(1)swap是用户自定义的函数，它的作用是交换两个变量（a和b）的值。swap函数的两个形参p1和p2是指针变量。
(2)输入a和b，a和b的地址分别赋给pointer_1和pointer_2，pointer_1指向a，pointer_2指向b，如下图。

调用swap函数，实参pointer_1传给形参p1。p1和pointer_1都指向a，如下图。


执行swap函数体，使*p1和 *p2的值互换，也是a和b的值互换。互换后情况如下图，

函数调用结束后，形参p1和p2已释放，如下图，

3 通过指针引用数组

3.1 数组元素的指针

数组元素指针就是数组元素的地址。可以用一个指针变量指向一个数组元素。例如：

使p指向a数组的第0号元素。

在C语言中，数组名代表数组中首元素的地址。

等价于

把a数组首元素的地址赋给指针变量p。

3.2 通过指针引用数组元素

引用一个数组元素，可以用两种方法：
(1)下标法，用数组名加下标，如a[i]形式。
(2)指针法。通过数组名计算出数字中序号为i的元素的地址，其形式为* (a+i)；用一个指针变量p指向数组首元素，然后用 *(p+i)调用a数组中序号为i的元素。

例题：有一个数组存放10个学生的年龄，用不同的方法输出数组中的全部元素。
解题思路：先定义整型数组a[10]，可以用下面几种不同的方法实现输出全部学生的年龄。①用数组名加下标找到所需要的数组元素；
②通过数组名计算数组元素地址，找到所需要的数组元素；
③通过指针变量计算数组元素地址，找到所需要的数组元素。
编写程序和运行结果：

指针运算：
通过指针的运算，可以方便地引用数组中的元素。
(1)如果指针变量p已指向数组中的一个元素，则p+1指向同一数组中的下一个元素。p+1所代表的地址实际上是p+1×d，d是一个数组元素所占的字节数，若p的值是2000，数组元素是float型，每个元素占4字节，则p+1的值为2004。
(2)如果指针变量p的初值为&a[0]，则p+i和a+i就是数组元素a[i]的地址。
(3)*(p+i)或 *(a+i)是p+i或a+i所指向的数组元素，即a[i]。
(4)如果指针变量p1和p2都指向同一数组，若执行p2-p1，结果是两地址之差除以数组元素的长度。
(5)要注意指针变量的当前值，即组织变量当前指向哪一个元素，尤其要注意起始值。
(6)指向数组的指针变量也可以带下标，如p[i]。但是易出错，少使用。

3.3 用数组名作函数参数

实参数组名代表该数字首元素的地址，形参是用来接收从实参传递过来的数组首元素地址的。因此，形参是一个指针变量。例如：定义一个f函数，形参写成数组形式：

主函数为：

可以将形参arr按指针变量处理的，f函数的首部可以换成

*arr就是array[0]。arr+1指向array[1]。
*(arr+i)和arr[i]是无条件等价的。
arr[0]和 *arr以及array[0]都代表数组array序号为0的元素。

4 通过指针引用数组

4.1 字符串的表示形式

(1)用字符数组存放一个字符串，然后用字符数组名和下标访问字符数组中的元素，如a[i]，也可以通过%s格式输出一个字符串。
(2)定义一个字符指针，用字符指针指向字符串中的字符。
例题：定义字符指针，使它指向一个字符串。
编写程序和运行结果：

分析：
(1)对字符指针变量string初始化，实际上是把字符串第1个元素的地址赋给string。
(2)

等价于

可以看到把string定义为一个指针变量，基类型为字符型。
(3)输出时，用

%s是输出字符串时所用的格式符， 在输出项中给出字符指针变量名string， 则系统先输出它所指向的一个字符数据， 然后自动使string加1， 使之指向下一个字符， 然后再输出一个字符……如此直到遇到字符串结束标志\0’为止。注意，在内存中，字符串的最后被自动加了一个\0，因此在输出时能确定字符串的终止位置。

例题1：有一个字符数组a，在其中存放字符串“Are you OK?”，要求把该字符串复制到字符数组b中。
思路：
从第一个字符开始.将数组a中的字符逐个复制到数组b中，直到遇到a数组中的某一元素值为’\0’为止。此时表示数组a中的字符串结束，然后在已复制到b数组中的字符最后加一个’\0’，表示字符串结束。
编写程序和运行结果：

分析：
(1)访问数组元素有两种方法。一，下标法。数组名加下标，如a[i]。二，地址法。如*(a+i)。因此，a[i]和(a+i)是无条件等价的*。a[0]和*(0)都表示数组a序号为0的元素。

例题2：有一个字符数组a，在其中存放字符串“Are you OK?”，要求把该字符串复制到字符数组b中，用指针变量来处理。
思路：
(1)设两个指针变量p1和p2，开始时分别指向字符串a和b的第1个字符；

(2)将p1指向的a串中的第1个字符复制到p2所指向的b串中的第1个字符位置；

(3)使p1和p2分别下移个位置，即分别指向串a和串b中的第2个字符；

(4)将p1指向的a串中的字符复制到p2所指向的b串中的位置；

(5)再使p1和p2分别下移一个位置；

(6)如此反复执行(4)和(5)直到发现p1指向的字符是’\0’为止，此时不再进行复制字符，而在p2所指的位置上赋一个’\0’字符。

编写程序：

运行结果：

分析：
p1和p2的值是不断在改变的，在for语句中的p1++和p2++使p1和p2同步移动。

4.2 字符指针作函数参数

在被调用的函数中可以改变字符串的内容，在主调函数中可以得到改变了的字符串。
例题3：有一个字符数组a，在其中存放字符串“Are you OK?”，把该字符串复制到字符数组b中。要求用函数调用实现。
编写程序和运行结果：

分析：
(1)copy_string函数的作用是将from[i]赋给to[i]，直到from[i]的值等于’\0’为止。
(2)形参from和to是字符指针变量
(3)在调用copy_string函数是，将数组a首元素的地址传给from，把指针变量p的值（即数组b首元素的地址）传给to。因此，a[1]和from[1]是同一个单元，p[1]（即b[1]）和to[1]是同一单元。
(3)在for循环中，先检查from当前所指向的字符是否等于’\0’，如果不是，就执行to=from”， 每次将from赋给to，第1次就是将a数组中第1个字符赋给b数组的第1个字符。每次循环中都执行from++和to++， 使from和to分别指向a数组和b数组的下一个元素。下次再执行*to=*from时， 就将a[i] 赋给b[i] ……最后将’\0’赋给to。函数赋值过程，如下图。

(4)程序执行完以后，b数组的内容如下图。由于b数组原来的长度大于a数组，因此再将a数组复制到b数组后，未能全部覆盖b数组原有内容。b数组最后4个元素仍保留原状。在输出b时由于按%s(字符串)输出，遇\0’即告结束，因此第一个\0’后的字符不输出。

(5)将copy_string函数改写

在本程序中将“*to=*from”的操作放在while语句括号内的表达式中，而且把赋值运算和判断是否为’\0’的运算放在一个表达式中，先赋值后判断。在循环体中使to和from增值， 指向下一个元素……直到 *from的值为’\0’为止。

还将copy_string函数改写为

把上面程序的to++和from++运算与 * to= * from合并， 它的执行过程是， 先将 * from赋给 * to， 然后使to和from增值。显然这又简化了。
还将copy_string函数改写为

当 * from不等与’\0’时，将 * from赋给 * to，然后使to和from增值。最后在to加结束符’\0’。

还将copy_string函数改写为

‘\0’的ASCII代码为0，所以关系表达式可以由(*from!=’\0’)改为(*from!=0)，而( * from!=0)可以简化为(*from)，因为 * from的值不等于0，则为真，程序执行函数体，同时 * from!=0为真，程序也执行函数体。

还将copy_string函数改写为

等价于

将 * from赋给 * to，然后使to和from增值，最后赋值后的 * to值等于’\0’，则循环结束。

还将copy_string函数改写为用for语句

等价于

也可以用字符数组名作函数形参，在函数中另定义两个指针变量p1，p2。函数copy_string可写成：

4.3 使用字符指针变量和字符数组的区别

(1)字符数组由若千个元素组成，每个元素中放一个字符，而字符指针变量中存放的是地址(字符串第1个字符的地址)，绝不是将字符串放到字符指针变量中。
(2)赋值方式。对字符数组只能对各个元素赋值，能用以下办法对字符数组赋值。

对字符指针变量，采用下面方法赋值。

等价于

小结：
数组可以在定义时整体赋值，但不能在赋值语句中整体赋值。
字符指针变量可以在定义时整体赋值，也可以在赋值语句中整体赋值。

5 提高部分

5.1 多维数组的指针

指针可以指向多维数组中的元素。例如二维数组，可以认为二维数组时数的数，即二维数组是由n个一维数组组成的。

a数组为3行4列的数组。a表示二维数组首元素的地址，现在的首元素是由4个整型元素组成的一维数组，因此，a表示的是0行（首行）的地址。a+1代表序号为1的行的首地址。

如果二维数组的首行的首地址为2000，若一个整型数据占4字节，则a+1的值应该是2000+4×4=2016.a+1指向a[1]，a+1的值是a[1]的首地址。

可以定义指向一维数组的指针变量：

p只能指向一个包含4个元素的一维数组，p的值就是该一维数组的起始地址。
赋值语句：

此时o指向数组序号为1的行（即a[1]）的开头。

5.2 指向函数的指针

在程序定义一个函数，系统给这个函数分配一段存储空间，这段存储空间的起始地址成为这个函数的指针。
可以定义一个指向函数的指针变量，用来存放某一函数的起始地址，这就意味着此指针变量指向该函数。
定义一个指向函数的指针变量：

指针变量名为p，它指向函数的类型为int型，函数有两个int型的形参。
定义的一般形式为：
数据类型 (指针变量名)(函数参数表列);
若要用指针调用函数，必须先使指针变量指向该函数，如：

这就把max函数的入口地址赋给了指针变量p。
用函数指针变量调用函数时，只需将( p)代替函数名即可（p为指针变量名），在( * p)之后的括号中写上实参。例如：

由p指向max函数，调用函数还可以写成

5.3 返回指针值的函数

一个函数可以返回指针型的数据，即一个地址。
例如：

a是函数名，这个函数名前面有一个*，表示此函数是指针型函数(函数值是指针)。最前面的int表示返回的指针是指向整型变量的， x和y是函数a的形参(整型) 。调用它以后能得到一个指向整型数据的指针(地址)。
返回指针值的函数一般定义形式为：
类型名 * 函数名(参数表列)；
这种形式与定义指向函数的指针变量很相似，但请注意：在*a两侧没有括号。有括号时就成了指向函数的指针变量了。

5.4 指针数组

指针数组中的每一个元素都存放一个地址。例如：

p[4]是数组形式，它有4个元素。* 表示数组时指针类型。
一维指针数组的定义一般形式为：
数据类型 *数组名[数组长度];
指针数据比较适合用来指向若干个字符串。
例题：有若干本书，想把书名放在一个数组中。

采用二维数组的方法
二维数组中每一行包含的元素个数（即列数）相等。若按最长的字符串来定义列数，则浪费许多内存单元，如下图。

采用指针数组的方法
分别定义一些字符串，然后用指针数组中的元素分别指向各字符串。

如果想对字符串排序，不必改动字符串的位置，只需改动指针数组中个元素的指向即可。

5.5 多重指针——指向指针的指针

略

6 总结

(1)指针就是地址。指针变量是用来存放地址的变量。地址是一个值。
(2)地址就意味着指向，因为通过地址能找到具有该地址的对象.
(3)指针代表的不仅是一个纯地址(即内存单元的编号)，而且还是一个带类型的地址。“指针就是地址”指的就是“带类型的地址”。
(4)搞清楚指针的指向。一维数组名代表数组首元素的地址，如:

p是指向int型类型的指针变是量， 显然， p只能指向数组中的首元素(int型变量) ， 而不是指向整个数组。如p+1是指向下一个元素，而不是指向下一个数组。
对“p=a;”准确地说应该是：p指向a数组的首元素。同理，p指向字符串，也应理解为p指向字符串中的首字符。在进行赋值时一定要先确定赋值号两侧的类型是否相同，是否允许赋值。
(5)指针运算小结
①指针变量加(减)一个整数。例如：p++、p–、p+i、p-i、p+=i、p-=i等均是指针变量加(减)一个整数将该指针变量的原值(是一个地址)和它指向的变量所占用的内存单元字节数相加(减)
②对指针变量赋值。将一个变量地址赋给一个指针变量。例如：

注意：不应把一个整数赋给指针变量
③指针变量可以有“空值”，即该指针变量不指向任何变量，可以这样表示：p=NULL;其中NULL是一个符号常量， 代表整数0。
在stdio.h头文件中对NULL进行了定义：

它使p指向地址为0的单元。系统保证使该单元不作他用(不存放有效数据)，即有效数据的指针不指向0单元。
应该注意， p的值为NULL与来对p赋值是两个不同的概念。前者是有值的(值为0) ，不指向任何程序变量，后者虽未对p值但并不等于p无值，就是p可能指向一个事先未指定的单元。因此，在引用指针变量之前应对它赋值。
任何指针变量或地址都可以与NULL作相等或不相等的比较， 例如：

④两个指针变量可以相减。如果两个指针变量都指向同一个数组中的元素，则两个指针变量值之差是两个指针之间的元素个数。
⑤两个指针变量比较。若两个指针指向同一个数组的元素，则可以进行比较。指向前面的元素的指针变量“小于”指向后面元素的指针变量。如果p1和p2不指向同一数组则比较无意义。
(6)有关指针变量的定义形式的归纳比较，见下图。