C语言学习之路（基础篇）—— 指针（上）

说明：该篇博客是博主一字一码编写的，实属不易，请尊重原创，谢谢大家！

概述

1) 内存

内存含义：

• 存储器： 计算机的组成中，用来存储程序和数据，辅助CPU进行运算处理的重要部分。
• 内存： 内部存贮器，暂存程序/数据——掉电丢失 SRAM、DRAM、DDR、DDR2、DDR3。
• 外存： 外部存储器，长时间保存程序/数据—掉电不丢ROM、ERRROM、FLASH（NAND、NOR）、硬盘、光盘。

内存是沟通CPU与硬盘的桥梁：

• 暂存放CPU中的运算数据
• 暂存与硬盘等外部存储器交换的数据

2) 物理存储器和存储地址空间

有关内存的两个概念：物理存储器 和 存储地址空间。

物理存储器：实际存在的具体存储器芯片。

• 主板上装插的内存条
• 显示卡上的显示RAM芯片
• 各种适配卡上的RAM芯片和ROM芯片

存储地址空间：对存储器编码的范围。我们在软件上常说的内存是指这一层含义。

• 编码：对每个物理存储单元（一个字节）分配一个号码
• 寻址：可以根据分配的号码找到相应的存储单元，完成数据的读写

3) 内存地址

• 将内存抽象成一个很大的一维字符数组。
• 编码就是对内存的每一个字节分配一个32位或64位的编号（与32位或者64位处理器相关）。
• 这个内存编号我们称之为内存地址。

内存中的每一个数据都会分配相应的地址：

• char:占一个字节分配一个地址
• int: 占四个字节分配四个地址
• float、struct、函数、数组等
  

4) 指针和指针变量

指针： 指针 === 地址 === 编号
指针变量： 存放指针(地址)的变量

• 内存区的每一个字节都有一个编号，这就是“地址”。
• 如果在程序中定义了一个变量，在对程序进行编译或运行时，系统就会给这个变量分配内存单元，并确定它的内存地址(编号)
• 指针的实质就是内存“地址”。指针就是地址，地址就是指针。
• 指针是内存单元的编号，指针变量是存放地址的变量。
• 通常我们叙述时会把指针变量简称为指针，实际他们含义并不一样。

指针基础知识

1) 指针变量的定义和使用

• 指针也是一种数据类型，指针变量也是一种变量
• 指针变量指向谁，就把谁的地址赋值给指针变量
• “*”操作符操作的是指针变量指向的内存空间

定义指针的三步骤：
1、 *与符号结合代表是一个指针变量
2、 要保存谁的地址,将他的定义形式放在此处
3、 用*p替换掉定义的变量

int a = 10;
// 1、定义*p指针变量
// 2、int a ---->  
// 3、int a ----> int *p  // 指针变量p

分析：
1、与*结合代表这个一个指针变量
2、p是变量，p的类型是将变量p本身拖黑，剩下的类型就是指针变量的类型 int *
3、指针变量p用来保存什么类型数据的地址 ，将指针变量p和指针变量p最近的*一起拖黑，剩下什么类型就保存什么类型数据的地址

int a = 10;
int *p = &a;

示例：

#include <stdio.h>

int main()
{
    
    
	int a = 10;
	char b = 97;
	printf("%p, %p\n", &a, &b); //打印a, b的地址

	//int *代表是一种数据类型，int*指针类型，p才是变量名
	//定义了一个指针类型的变量，可以指向一个int类型变量的地址
	int* p;
	p = &a; //将a的地址赋值给变量p，p也是一个变量，值是一个内存地址编号
	printf("%d\n", *p); //p指向了a的地址，*p就是a的值

	char* p1 = &b;
	printf("%c\n", *p1); //*p1指向了b的地址，*p1就是b的值，%c打印字符

	return 0;
}

注意：&可以取得一个变量在内存中的地址。但是，不能取寄存器变量，因为寄存器变量不在内存里，而在CPU里面，所以是没有地址的。

2) 通过指针间接修改变量的值

#include <stdio.h>


int main() {
    
    

	int a = 10;
	char b = 97;

	int* p = &a;
	char* p1 = &b;

	printf("a=%d, *p=%d\n", a, *p);  // a=10, *p=10
	printf("b=%c, *p1=%c\n", b, *p1);  // b=a, *p1=a
	// 指针变量保存谁的地址就指向了谁
	*p = 100; // 在使用时,*与p结合代表,取p指针所指向那块空间的内容
	*p1 = 65;

	printf("a=%d, *p=%d\n", a, *p);  // a=100, *p=100
	printf("b=%c, *p1=%c\n", b, *p1);  // b=A, *p1=A
	return 0;
}

重点：星花*与取地址& ，在给变量赋值时，等号两边的表达式类型应当要匹配一致；int* p = &a;亦是如此。

在使用时，对一个表达式取*，就会对表达式减一级*，如果对表达式取&，就会加一级*

int a = 10;
//在使用时，对一个表达式取`*`，就会对表达式减一级`*`，如果对表达式取`&`，就会加一级`*`

// 左边表达式p为int*类型；右边的表达式a为int类型那么加上`&`，对表达式取`&`，就会加一级`*，即int *类型；左右两边类型匹配
int* p;
p = &a;

// 左边表达式p为int*类型，取`*`，则减一级`*`即int类型；右边100为int类型；左右两边类型匹配
*p = 100;

int* t;
int** g;
// 左边表达式g为int**类型；右边表达式t为int*类型，取`&`就会加一级`*`即为int**类型；左右两边类型匹配
g = &t;
// 左边表达式g为int**类型，取`*`，则减一级`*`即int*类型；右边表达式t为int*类型；左右两边类型匹配
*g = t;

3) 指针大小

• 使用sizeof()测量指针的大小，得到的总是：4或8
• sizeof()测的是指针变量指向存储地址的大小
• 在32位平台，所有的指针（地址）都是32位(4字节)
• 在64位平台，所有的指针（地址）都是64位(8字节)

#include <stdio.h>

int main() {
    
    
	// 不管什么类型的指针,大小只和系统编译器有关系
	char* p1;
	char** p2;
	short* p3;
	int* p4;
	int** p5;
	float* p6;
	double* p7;
	printf("%d\n", sizeof(p1));
	printf("%d\n", sizeof(p2));
	printf("%d\n", sizeof(p3));
	printf("%d\n", sizeof(p4));
	printf("%d\n", sizeof(p5));
	printf("%d\n", sizeof(p6));
	printf("%d\n", sizeof(p7));
	printf("%d\n", sizeof(long*));

	return 0;
}

编译器X86运行结果：

编译器X64运行结果：

因为32位编译器内存地址编号范围是0x0000 0000 - 0xffff ffff如此，所以我们的指针变量占4个字节就可以存下；而64位编译器内存地址编号范围是0x0000 0000 0000 0000 - 0xffff ffff ffff ffff 这样的编号，需要8个字节才能存下，所以指针变量也需要8个字节

4) 指针的宽度和步长

• 不同类型的指针变量，取指针指向的内容的宽度
• 指针的宽度 = sizeof(将指针变量与指针变量最近的*拖黑，剩下的类型；如char *p; sizeof(char);占一个字节； int **p; sizeof(int*);占4个字节)
• 宽度也叫做步长
• 步长：指针加1跨过多少个字节

示例1：

#include <stdio.h>

int main(){
    
    

	int num = 0x01020304;  // 刚好四个字节的数据
	char* p1 = (char*)&num;  // 类型不匹配强转
	short* p2 = (short*)&num; // 类型不匹配强转
	int* p3 = &num;

	//通过*取指针变量所指向那块空间内容时,取的内存的宽度和指针变量本身的类型有关
	printf("p1=%x\n", *p1);  // 04  1个字节
	printf("p2=%x\n", *p2);  // 0304  2个字节 
	printf("p3=%x\n", *p3);  // 01020304  4个字节
	return 0;
}

示例2：

#include <stdio.h>

int main() {
    
    

	int num = 0x01020304;  
	char* p1 = (char*)&num;  
	short* p2 = (short*)&num; 
	int* p3 = &num;

	printf("p1=%u\n", p1);  // p1=7601028
	printf("p2=%u\n", p2);  // p2=7601028
	printf("p3=%u\n", p3);  // p3=7601028
	printf("\n");
	printf("p1=%u\n", p1+1);  // p1=7601029       p1是char类型的指针，+1跨过1个字节
	printf("p2=%u\n", p2+1);  // p1=7601030       p2是short类型的指针，+1跨过2个字节
	printf("p3=%u\n", p3+1);  // p1=7601032       p3是int类型的指针，+1跨过4个字节


	return 0;
}

5) 野指针和空指针

5.1 野指针

指针变量也是变量，是变量就可以任意赋值，不要越界即可（32位为4字节，64位为8字节），但是任意数值赋值给指针变量没有意义，因为这样的指针就成了野指针，此指针指向的区域是未知(操作系统不允许操作此指针指向的内存区域)。所以，野指针不会直接引发错误，操作野指针指向的内存区域才会出问题。

错误示例：

	int a = 100;
	int* p;
	p = a; //把a的值赋值给指针变量p，p为野指针， ok，不会有问题，但没有意义

	int* p;
	p = 0x12345678; //给指针变量p赋值，p为野指针， ok，不会有问题，但没有意义

	int* p;
	*p = 1000;  //操作野指针指向未知区域，内存出问题，err

野指针就是没有初始化的指针，指针的指向是随机的，不可以操作野指针。

正确示例：
指针p保存的地址一定是定义过的(向系统申请过的)。

	int a = 100;
	int* p = &a;
	*p = 1000; //p指向了a的地址，*p就是a的值，给*p赋值1000，那么a的值也是1000

5.2 空指针

野指针和有效指针变量保存的都是数值，为了标志此指针变量没有指向任何变量(空闲可用)，C语言中，可以把NULL赋值给此指针，这样就标志此指针为空指针，没有任何指针。

#include <stdio.h>


int main() {
    
    
	int a = 100; // 整型变量的初始化
	// 将指针的值赋值为0 即0x00000000 =  NULL
	int* p = NULL; // 因为p保存了0x0000的地址,这个地址是程序初始地址不可以使用的，非法

	*p = 1000;
	printf("%d", *p);

	return 0;
}

既然不能使用，为什么还要初始化为NULL呢，赋值为NULL主要用于标记，来判断该指针是否被使用，避免它成为一个野指针。

#include <stdio.h>


int main() {
    
    
	int a = 100; // 整型变量的初始化
	// 将指针的值赋值为0 即0x00000000 =  NULL
	int* p = NULL; // 因为p保存了0x0000的地址,这个地址是程序初始地址不可以使用的，非法
	// 如果p等于NULL，说明没有被使用，那么就可以进行赋值操作
	if (p == NULL)
	{
    
    
		p = &a;
		*p = 1000;
	}
	else
	{
    
    
		// 说明p有指向，被使用
		// 养成好的习惯，每次使用完指针，就给赋值为NULL
		// int* p = NULL;
	}
	printf("%d %d", *p, a);

	return 0;
}

6) 万能指针void *

void*万能指针可以指向任意变量的内存空间：

错误示例：

#include <stdio.h>

int main() {
    
    

	int a = 10;
	void* p = (void*)&a;  // a为int类型，取&，加一级*，所以为int*类型，int*类型不匹配void*类型，所以要进行强转
	printf("%d", *p);

	return 0;
}

运行以上代码，提示错误

导致以上错误原因是：我们不知道*p应该取多少个字节的数据

就好比定义void类型的变量一个道理，因为编译器不知道该给此变量类型分配多大的空间；但是定义void*类型没有问题，因为指针类型数据要么4个字节要么8个字节（取决于编译器）

目前程序上是知道*p指针变量应该取哪里的地址，只是不知道应该取多少个字节数据而已，那么我们可以通过转换类型的方式去获取地址数据。（如：*p 中的p指向a的地址，p的类型是void*，你要取多少个字节数据，就转为什么类型即可；我要取4个字节的数据，那么就将p转为int*类型即可）

#include <stdio.h>

int main() {
    
    

	int a = 10;
	//void b = 20; // error 不可以定义void类型的变量，因为编译器不知道给变量分配多大的空间
	// 但是可以定义void* 类型, 因为指针类型数据要么4个字节要么8个字节（取决于编译器）
	void* p = (void*)&a;  // a为int类型，取&，加一级*，所以为int*类型，int*类型不匹配void*类型，所以要进行强转

	//printf("%d\n", *p); //error p是void*类型，编译器不知道取几个字节的大小

	// *p 中的p指向a的地址，p的类型是void* 类型，你要取4个字节数据，那么将p转为int*类型即可解决
	printf("%d\n", *(int*)p);
	// 同理q的类型是void* 类型，我要取2个字节的数据，那么我就将q转为short*类型即可
	printf("%d", *(short*)p);

	return 0;
}

7) const修饰的指针变量

const是一个C语言的关键字，具有着举足轻重的地位。它限定一个变量不允许被改变，产生静态作用。使用const在一定程度上可以提高程序的安全性和可靠性。另外，在观看别人代码的时候，清晰理解const所起的作用，对理解对方的程序也有一定帮助。

const修饰变量a后，不能再通过变量a去修改a所指向内存空间里面的内容

	// const 修饰变量a
	const int a = 10;
	a = 100;  // error 修饰变量a后，不能再通过变量a去修改a所指向空间里面的内容

但可以通过指针变量*p去修改a地址的内容

	// const 修饰变量a
	const int a = 10;
	int* p = &a;
	*p = 100;

const修饰指针变量*p后，不能再通过*p去修改变量p所指向a空间里面的内容

	int a = 10;
	// 这里const修饰的是*，不能通过*p去修改p所指向空间的内容
	const int* p = &a;
	*p = 100;  // error 不能通过*p去修改变量p所指向a空间里面的内容

const修饰变量p后，变量p本身的值不能被更改

	int a = 10;
	int b = 20;
	// const修饰的是变量p，p保存的地址不可以修改
	int* const p = &a;
	p = &b; // error 变量p本身的值不能被更改

const修饰的是变量p和*，p本身的指向不能改变，不能通过*p去修改p所指向空间的内容

	int a = 10;
	int b = 20;
	// const修饰的是变量p和*，p本身的指向不能改变，不能通过*p去修改p所指向空间的内容
	const int* const p = &a;
	p = &b; // error 变量p本身的值不能被更改
	*p = 100; // error 不能通过*p去修改变量p所指向a空间里面的内容

多级指针

• C语言允许有多级指针存在，在实际的程序中一级指针最常用，其次是二级指针。
• 二级指针就是指向一个一级指针变量地址的指针。
• 三级指针基本用不着，但考试会考。

#include <stdio.h>

int main() {
    
    

	int a = 10;
	// *p > int a > int (*p) > int *p
	int* p = &a;
	// *q > int *p > int *(*q) > int **q
	//如果*和&相遇，相抵消
	// **q == *(*q) == *(p) ==  a
	// **q == *(*q) == *(&a) ==  a
	int** q = &p;
	// *k > int **q > int **(*k) > int ***k
	int*** k = &q;
	// *符号结合,代表这个k是一个指针变量
	// k是一个变量
	// k的类型，将变量k拖黑，剩下的类型
	// k用来保存谁的地址  将变量k和k最近的*一起拖黑，剩下什么类型
	// 就保存什么类型数据的地址
	
	printf("%d\n", *p); //10
	printf("%d\n", **q); //10
	printf("%d\n", ***k); //10
	return 0;
}

定义多级指针保存数据的地址时，定义的指针的类型只需要比要保持的数据的类型多一级*即可

	// 定义多级指针保存数据的地址时，定义的指针的类型只需要比要保持的数据的类型多一级`*`即可
	int******************* g;
	int******************** f = &g;

指针和数组

1) 数组名

数组名字是数组的首元素地址，但它是一个常量：

#include <stdio.h>

int main() {
    
    

	int a[10] = {
    
     3,9,5,1,4,7,6,10,2,8 };
	//a = 10; //err, 数组名只是常量，不能修改
	printf("a = %p\n", a); // a = 0073F904
	printf("&a[0] = %p\n", &a[0]); // &a[0] = 0073F904

	return 0;
}

2) 指针操作数组元素

在没有学习指针之前，我们打印数组元素，是这样子打印的

#include <stdio.h>


int main() {
    
    

	int a[10] = {
    
     3,9,5,1,4,7,6,10,2,8 };
	//a = 10; //err, 数组名只是常量，不能修改
	//printf("a = %p\n", a); // a = 0073F904
	//printf("&a[0] = %p\n", &a[0]); // &a[0] = 0073F904
	for (int i = 0; i < sizeof(a) / sizeof(a[0]); i++)
	{
    
    
		printf("%d ", a[i]); //先打印原始元素
		a[i] = i + 1; // 后赋值
	}
	printf("\n");
	for (int i = 0; i < sizeof(a) / sizeof(a[0]); i++)
	{
    
    
		printf("%d ", a[i]); //打印赋值后的元素
	}
	return 0;
}

在学习指针后，我们可以通过指针来操作数组元素

• 指针加1，跨过一个步长 如：int *p; 的步长为sizeof(int) = 4Byte
• 要得到内存的数据,就该先得到数据的地址
• *(地址) 得到的是地址里面的内容
  

#include <stdio.h>

int main() {
    
    

	int a[10] = {
    
     3,9,5,1,4,7,6,10,2,8 };
	//a 数组名,首元素的地址
	int* p = a; // 指针p保存的是首元素的地址
	for (int i = 0; i < sizeof(a) / sizeof(a[0]); i++)
	{
    
    
		printf("%d ", *(p+i)); //先打印原始元素
		*(p + i) = i + 1; // 后赋值
	}
	printf("\n");
	for (int i = 0; i < sizeof(a) / sizeof(a[0]); i++)
	{
    
    
		printf("%d ", a[i]); //打印赋值后的元素
	}
	return 0;
}

输出结果
3 9 5 1 4 7 6 10 2 8
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

3) 指针加减运算

3.1 加法运算

• 指针计算不是简单的整数相加
• 如果是一个int *，+1的结果是增加一个int的大小
• 如果是一个char *，+1的结果是增加一个char的大小

#include <stdio.h>

int main()
{
    
    
	int a;
	int* p = &a;
	printf("%d\n", p); // 9435892
	p += 2;//移动了2个int
	printf("%d\n", p); // 9435900

	char b = 0;
	char* p1 = &b;
	printf("%d\n", p1);	// 9435871
	p1 += 2;//移动了2个char
	printf("%d\n", p1); // 9435873

	return 0;
}

通过改变指针指向操作数组元素：

#include <stdio.h>

int main()
{
    
    
	int a[] = {
    
     1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 };
	int i = 0;
	int n = sizeof(a) / sizeof(a[0]);

	int* p = a;
	for (i = 0; i < n; i++)
	{
    
    
		printf("%d, ", *p);
		p++;
	}
	printf("\n");

	return 0;
}

输出结果
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,

两指针相加没有意义：单个指针加法运算如上面开头那种p += 2;没有问题；但是两个指针相加没有任何意义，比如p指针指向第一个元素地址内容，q指针指向最后一个元素地址内容，那么结果只是一个很大的数，无其他任务实质意义。

#include <stdio.h>

int main() {
    
    

	// 整个数组的步长 = sizeof(int [10]) == sizeof(a) == 10*4 = 40;
	int a[10] = {
    
     3,9,5,1,4,7,6,10,2,8 };
	int* p = a; // &a[0]
	int* q = (int*)(&a + 1) - 1; // 等同于int *q = &a[9]

	// 两指针相加没有意义
	printf("%d\n", p + q);


	return 0;
}

3.2 减法运算

示例1：通过改变指针指向操作数组元素

#include <stdio.h>
// 指针加法运算
int main()
{
    
    
	int a[10] = {
    
     3,9,5,1,4,7,6,10,2,8 };
	int i = 0;
	int n = sizeof(a) / sizeof(a[0]);

	int* p = a + n - 1;  // p指向最后一个元素地址，*p则就是取最后一个元素的地址内容
	for (i = 0; i < n; i++)
	{
    
    
		printf("%d, ", *p);
		p--;
	}
	printf("\n");

	return 0;
}

输出结果
8, 2, 10, 6, 7, 4, 1, 5, 9, 3,

示例2：两指针(类型一致)相减,得到的是中间跨过多少个元素

#include <stdio.h>

int main() {
    
    
	// 两指针相减
	// 整个数组的步长 = sizeof(int [10]) == sizeof(a) == 10*4 = 40;
	int a[10] = {
    
     3,9,5,1,4,7,6,10,2,8 };
	int* p = a; // &a[0]
	// 通过地址取数组最后一个元素，那么&a+1则表示横跨整个数组，就是41，取地址则需要转为int*，最后才能得到41对应的地址，最后地址-1就得到最后一个元素地址
	int* q = (int*)(&a + 1) - 1; // 等同于int *q = &a[9]
	printf("%d\n", q-p); // 9
	// 验证是q-p是否跨了9个元素，直接*取q的地址内容即可
	printf("%d\n", *(p+9)); // 8
	
	return 0;
}

输出结果
9
8

4) 方括号不是数组的专属

• []并不是数组的专属
• []实际上是*()的缩写

示例1：

#include <stdio.h>


int main() {
    
    
	// `[]`并不是数组的专属
	int a;
	int* p = &a;
	// [] == *()
	// p[0] == *(p+0) == *p
	p[0] = 100;

	printf("%d", a); // 100

	return 0;

}

示例2：

#include <stdio.h>

int main() {
    
    
	// `[]`并不是数组的专属
	int a;
	int* p = &a;
	// [] == *()
	// p[0] == *(p+0) == *p
	p[0] = 100;
	p[1] = 200; // error 内存污染，p[1] == *(p+1)  p+1跨过一个元素，指向的是a后面的地址,
	            //取这块地址里面的内容不能进行操作，即使显示没有问题，但是运行编译会出错

	printf("%d", a);

	return 0;
}

示例3：

int main() {
    
    
	// `[]`并不是数组的专属
	// [] == *()
	int a[10] = {
    
     3,9,5,1,4,7,6,10,2,8 };
	int* p = a;
	
	for (int i = 0; i < sizeof(a)/sizeof(a[0]); i++)
	{
    
    
		// 第一种方式
		printf("%d ", a[i]);
		// 第二种方式
		printf("%d ", *(p+i));
		// 第三种方式
		printf("%d ", p[i]); // p[i] == *(p+i)
		// 第四种方式
		printf("%d ", *(a+i)); // a[i] == *(a+i)  (a+i)首元素地址阔过第i个元素，等到该元素的地址，*取该元素地址的内容

	}

	return 0;

}

输出结果
3 3 3 3 9 9 9 9 5 5 5 5 1 1 1 1 4 4 4 4 7 7 7 7 6 6 6 6 10 10 10 10 2 2 2 2 8 8 8 8

5) 指针数组

整型数组，是一个数组，数组的每一个元素都是整型。
指针数组，它也是数组，数组的每一个元素都是指针。

示例1：通过指针数组保存多个变量的地址，并打印指向变量地址的内容

#include <stdio.h>

int main() {
    
    

	int a = 10;
	int b = 20;
	int c = 30;
	// int *p1 = &a; int *p2 = &b; int *p3 = &c;
	int* num[3] = {
    
     &a, &b, &c };

	for (int i = 0; i < sizeof(num)/sizeof(num[0]); i++)
	{
    
    
		printf("%d ", *num[i]); // *num[i]  []优先级高于*
	}
	return 0;
}

输出结果
10 20 30

示例2：定义一个指针来保存数组num首元素的地址，并通过指针变量打印出指针数组中的所有元素

#include <stdio.h>

int main() {
    
    

	int a = 10;
	int b = 20;
	int c = 30;
	// int *p1 = &a; int *p2 = &b; int *p3 = &c;
	int* num[3] = {
    
     &a, &b, &c };
	// 定义一个指针用来保存数组num首元素的地址
	// num首元素地址 num == &num[0]
	// 定义指针的类型 int **  首先num[0]是int *类型，要保存int  *类型的地址，就需要比它多一级*
	int** k = &num[0];
	printf("%d\n", **k);
	for (int i = 0; i < sizeof(num)/sizeof(num[0]); i++)
	{
    
    
		printf("%d ", **(k+i));  //这里的括号不能去除，去除后就变成了10+i了
	}
	return 0;
}