关于C语言指针,这可能是史上最干最全的讲解啦(附代码)!!!
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2022-06-30 23:15
来源:综合自网络
为什么需要指针?
因为诸如结构体等大型数据,占用的字节数多,复制很消耗性能。
但使用指针就可以很好的避免这个问题,因为任何类型的指针占用的字节数都是一样的(根据平台不同,有4字节或者8字节或者其他可能)。
还有:C语言中的一切函数调用中,值传递都是“按值传递”的。
如果我们要在函数中修改被传递过来的对象,就必须通过这个对象的指针来完成。
地址总线专门用于寻址,CPU通过该地址进行数据的访问,然后把处于该地址处的数据通过数据总线进行传送,传送的长度就是数据总线的位数。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小,比如CPU总线长32位,其最大的直接寻址空间长232KB,也就是4G。
sizeof(char)=1;
sizeof(int)=4;
同样指针这个概念也泛指一类数据类型,int指针类型,double指针类型,char指针类型等等。
而为了保存一个数据在内存中的地址,我们就需要指针变量。
Type *p;
我们说p是指向type类型的指针,type可以是任意类型,除了可以是char,short, int, long等基本类型外,还可以是指针类型,例如int *, int **, 或者更多级的指针,也可是是结构体,类或者函数等。于是,我们说:
int * 是指向int类型的指针;
struct xxx *,是指向struct xxx类型的指针;
其实,说这么多,只是希望大家在看到指针的时候,不要被int ***这样的东西吓到,就像前面说的,指针就是指向某种类型的指针,我们只看最后一个*号,前面的只不过是type类型罢了。
细心一点的人应该发现了,在“什么是指针”这一小节当中,已经表明了:指针的长度跟CPU的位数相等,大部分的CPU是32位的,因此我们说,指针的长度是32bit,也就是4个字节!注意:任意指针的长度都是4个字节,不管是什么指针!(当然64位机自己去测一下,应该是8个字节吧。。。)
于是:
Type *p;
izeof(p)的值是4,Type可以是任意类型,char,int, long, struct, class, int **…
以后大家看到什么sizeof(char*), sizeof(int *),sizeof(xxx *),不要理会,统统写4,只要是指针,长度就是4个字节,绝对不要被type类型迷惑!
这种抽象机制使得程序使用的是虚拟存储器,而不是直接操作和使用真实存在的物理存储器。
所有的虚拟地址形成的集合就是虚拟地址空间。
最关键的是,每一个字节都有一个唯一的编号,编号从0开始,一直到最后一个字节。
如上图中,这是一个256M的内存,他一共有256x1024x1024 = 268435456个字节,那么它的地址范围就是 0 ~268435455 。
因此,在程序中使用的变量,常量,甚至数函数等数据,当他们被载入到内存中后,都有自己唯一的一个编号,这个编号就是这个数据的地址。
指针就是这样形成的。
#include <stdio.h>
int main(void)
{
char ch = 'a';
int num = 97;
printf("ch 的地址:%p
",&ch); //ch 的地址:0028FF47
printf("num的地址:%p
",&num); //num的地址:0028FF40
return 0;
}
指针的值(虚拟地址值)使用一个机器字的大小来存储。
也就是说,对于一个机器字为w位的电脑而言,它的虚拟地址空间是0~2w - 1 ,程序最多能访问2w个字节。
这就是为什么xp这种32位系统最大支持4GB内存的原因了。
97的二进制是 : 00000000 00000000 00000000 0110000 , 但使用的小端模式存储时,低位数据存放在低地址,所以图中画的时候是倒过来的。
num的类型是int,因此将被解释为 一个整数。
而且在C语言中,并不是所有的内存数据都有名称,例如使用malloc申请的堆内存就没有。
因此num的地址是 0028FF40。内存的地址用于标识这个内存块。
C语言中的程序数据会按照他们定义的位置,数据的种类,修饰的关键字等因素,决定他们的生命周期特性。
实质上我们程序使用的内存会被逻辑上划分为:栈区,堆区,静态数据区,方法区。
不同的区域的数据有不同的生命周期。
Type *p;
p++;
然后问你p的值变化了多少。
其实,也可以认为这是在考编译器的基本知识。因此p的值并不像表面看到的+1那么简单,编译器实际上对p进行的是加sizeof(Type)的操作。
这里注释掉char一行的原因是因为cout<<(char*)会被当成字符串输出,而不是char的地址)
2(sizeof(short))
4(sizeof(int))
4(sizeof(long))
8(sizeof(long long))
4(sizeof(float))
8(sizeof(double))
12(sizeof(long double))
喏,增加的值是不是sizeof(Type)呢?别的什么struct,class之类的,就不验证你,有兴趣的自己去验证。
如果指针变量p1保存了变量 num的地址,则就说:p1指向了变量num,也可以说p1指向了num所在的内存块 ,这种指向关系,在图中一般用 箭头表示。
int a ; //int类型变量 a
int *a ; //int* 变量a
int arr[3]; //arr是包含3个int元素的数组
int (* arr )[3]; //arr是一个指向包含3个int元素的数组的指针变量
//-----------------各种类型的指针------------------------------
int* p_int; //指向int类型变量的指针
double* p_double; //指向idouble类型变量的指针
struct Student *p_struct; //结构体类型的指针
int(*p_func)(int,int); //指向返回类型为int,有2个int形参的函数的指针
int(*p_arr)[3]; //指向含有3个int元素的数组的指针
int** p_pointer; //指向 一个整形变量指针的指针
这里要强调2个属性:指针的类型,指针的值。
int main(void)
{
int num = 97;
int *p1 = #
char* p2 = (char*)(&num);
printf("%d
",*p1); //输出 97
putchar(*p2); //输出 a
return 0;
}
数据的地址用于在内存中定位和标识这个数据,因为任何2个内存不重叠的不同数据的地址都是不同的。
一般指针变量的类型要和它指向的数据的类型匹配。
int add(int a , int b)
{
return a + b;
}
int main(void)
{
int num = 97;
float score = 10.00F;
int arr[3] = {1,2,3};
//-----------------------
int* p_num = #
float* p_score = &score;
int (*p_arr)[3] = &arr;
int (*fp_add)(int ,int ) = add; //p_add是指向函数add的函数指针
return 0;
}
数组名的值就是这个数组的第一个元素的地址。 函数名的值就是这个函数的地址。 字符串字面值常量作为右值时,就是这个字符串对应的字符数组的名称,也就是这个字符串在内存中的地址。
int add(int a , int b){
return a + b;
}
int main(void)
{
int arr[3] = {1,2,3};
//-----------------------
int* p_first = arr;
int (*fp_add)(int ,int ) = add;
const char* msg = "Hello world";
return 0;
}
当然使用通过它来操作(读/写)它指向的数据啦。
对一个指针解地址,就可以取到这个内存数据,解地址的写法,就是在指针的前面加一个*号。
int main(void)
{
int age = 19;
int*p_age = &age;
*p_age = 20; //通过指针修改指向的内存数据
printf("age = %d
",*p_age); //通过指针读取指向的内存数据
printf("age = %d
",age);
return 0;
}
指针之间的赋值是一种浅拷贝,是在多个编程单元之间共享内存数据的高效的方法。
int* p1 = & num;
int* p3 = p1;
//通过指针 p1 、 p3 都可以对内存数据 num 进行读写,如果2个函数分别使用了p1 和p3,那么这2个函数就共享了数据num。
#ifdef __cplusplus
#define NULL 0
#else
#define NULL ((void *)0)
#endif
my_free调用了之后,p的值就变成了0(NULL),调用多少次free都不会报错了!
执行结果同上面一样,不会报段错误:
不能对他们做解指针操作,否则程序会出现运行时错误,导致程序意外终止。
坏指针是造成C语言Bug的最频繁的原因之一。
下面的代码就是错误的示例。
void opp()
{
int*p = NULL;
*p = 10; //Oops! 不能对NULL解地址
}
void foo()
{
int*p;
*p = 10; //Oops! 不能对一个未知的地址解地址
}
void bar()
{
int*p = (int*)1000;
*p =10; //Oops! 不能对一个可能不属于本程序的内存的地址的指针解地址
}
如果想要完整的提取指向的数据,程序员就必须对这个指针做出正确的类型转换,然后再解指针。因为,编译器不允许直接对void*类型的指针做解指针操作。
虽然从字面上看,void的意思是空,但是void指针的意思,可不是空指针的意思,空指针指的是上面所说的NULL指针。
void指针实际上的意思是指向任意类型的指针。任意类型的指针都可以直接赋给void指针,而不需要进行强制转换。
例如:
Type a, *p=&a;
(Type等于char, int, struct, int *…)
void *pv;
pv=p;
void free(void*ptr);
char*malloc(size_t sz);
实际上设置成
Type*malloc(size_t sz);
也是完全正确的,使用void指针的原因,实际上就像前面说的,void指针意思是任意指针,这样设计更加严谨一些,也更符合我们的直观理解。如果对前面我说的指针概念理解的童鞋,肯定明白这一点。
typedef struct
{
char name[31];
int age;
float score;
}Student;
int main(void)
{
Student stu = {"Bob" , 19, 98.0};
Student*ps = &stu;
ps->age = 20;
ps->score = 99.0;
printf("name:%s age:%d
",ps->name,ps->age);
return 0;
}
int main(void)
{
int arr[3] = {1,2,3};
int*p_first = arr;
printf("%d
",*p_first); //1
return 0;
}
(实质上所有指针都支持递增递减 运算 ,但只有在数组中使用才是有意义的)
int main(void)
{
int arr[3] = {1,2,3};
int*p = arr;
for(;p!=arr+3;p++){
printf("%d
",*p);
}
return 0;
}
int main(void)
{
int arr[3] = {1,2,3};
int*p = arr;
printf("sizeof(arr)=%d
",sizeof(arr)); //sizeof(arr)=12
printf("sizeof(p)=%d
",sizeof(p)); //sizeof(p)=4
return 0;
}
这就意味着:这种数据传递是单向的,即从调用者传递给被调函数,而被调函数无法修改传递的参数达到回传的效果。
void change(int a)
{
a++; //在函数中改变的只是这个函数的局部变量a,而随着函数执行结束,a被销毁。age还是原来的age,纹丝不动。
}
int main(void)
{
int age = 19;
change(age);
printf("age = %d
",age); // age = 19
return 0;
}
但是如果返回值有其它用途(例如返回函数的执行状态量),或者要回传的数据不止一个,返回值就解决不了了。
void change(int* pa)
{
(*pa)++; //因为传递的是age的地址,因此pa指向内存数据age。当在函数中对指针pa解地址时,
//会直接去内存中找到age这个数据,然后把它增1。
}
int main(void)
{
int age = 19;
change(&age);
printf("age = %d
",age); // age = 20
return 0;
}
相反,我们防止这个目标数据被改变。传递指针只是为了避免拷贝大型数据。
typedef struct
{
char name[31];
int age;
float score;
}Student;
//打印Student变量信息
void show(const Student * ps)
{
printf("name:%s , age:%d , score:%.2f
",ps->name,ps->age,ps->score);
}
另外我们为什么要使用指针而不是直接传递Student变量呢?
而传递变量的指针却快很多,因为在同一个平台下,无论什么类型的指针大小都是固定的:X86指针4字节,X64指针8字节,远远比一个Student结构体变量小。
typedef int(*compare)(const void *x, const void *y);
这个时候,compare就是参数为const void *, const void *类型,返回值是int类型的函数。例如:
用typedef来定义的好处,就是可以使用一个简短的名称来表示一种类型,而不需要总是使用很长的代码来,这样不仅使得代码更加简洁易读,更是避免了代码敲写容易出错的问题。强烈推荐各位在定义结构体,指针(尤其是函数指针)等比较复杂的结构时,使用typedef来定义。
在程序载入到内存后,函数的机器指令存放在一个特定的逻辑区域:代码区。
既然是存放在内存中,那么函数也是有自己的指针的。
void echo(const char *msg){ printf("%s",msg);}int main(void){ void(*p)(const char*) = echo; //函数指针变量指向echo这个函数 p("Hello "); //通过函数的指针p调用函数,等价于echo("Hello ") echo("World"); return 0;}
(原子类型是不可再分割的类型,如int, short , char,以及typedef包装后的类型)
int main(){ int a = 1; int const *p1 = &a; //const后面是*p1,实质是数据a,则修饰*p1,通过p1不能修改a的值 const int*p2 = &a; //const后面是int类型,则跳过int ,修饰*p2, 效果同上 int* const p3 = NULL; //const后面是数据p3。也就是指针p3本身是const . const int* const p4 = &a; // 通过p4不能改变a 的值,同时p4本身也是 const int const* const p5 = &a; //效果同上 return 0;}typedef int* pint_t; //将 int* 类型 包装为 pint_t,则pint_t 现在是一个完整的原子类型int main(){ int a = 1; const pint_t p1 = &a; //同样,const跳过类型pint_t,修饰p1,指针p1本身是const pint_t const p2 = &a; //const 直接修饰p,同上 return 0;}
如果被访问的数据被拷贝了,在每个单元中都有自己的一份,对目标数据的操作相互不受影响,则叫做深拷贝。
指针常用在C语言中,而引用,则用于诸如Java,C#等 在语言层面封装了对指针的直接操作的编程语言中。
有些机器同时支持大端和小端模式,通过配置来设定实际的端模式。
//测试机器使用的是否为小端模式。是,则返回true,否则返回false
//这个方法判别的依据就是:C语言中一个对象的地址就是这个对象占用的字节中,地址值最小的那个字节的地址。bool isSmallIndain(){
unsigned int val = 'A';
unsigned char* p = (unsigned char*)&val; //C/C++:对于多字节数据,取地址是取的数据对象的第一个字节的地址,也就是数据的低地址
return *p == 'A';}
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