C語言指針概念詳解

計算機中所有的數(shù)據(jù)都必須放在內(nèi)存中，不同類型的數(shù)據(jù)占用的字節(jié)數(shù)不一樣，例如 int 占用4個字節(jié)，char 占用1個字節(jié)。為了正確地訪問這些數(shù)據(jù)，必須為每個字節(jié)都編上號碼，就像門牌號、身份證號一樣，每個字節(jié)的編號是唯一的，根據(jù)編號可以準(zhǔn)確地找到某個字節(jié)。下圖是 4G 內(nèi)存中每個字節(jié)的編號（以十六進(jìn)制表示）：

地址（Address）或指針（Pointer）。地址從 0 開始依次增加，對于 32 位環(huán)境，程序能夠使用的內(nèi)存為 4GB，最小的地址為 0，最大的地址為 0XFFFFFFFF。下面的代碼演示了如何輸出一個地址：

#include 《stdio.h》

int main（）{

int a = 100;

char str［20］ = “c.biancheng.net”;

printf（“%#X， %#X\n”， &a， str）;

return 0;

}

運行結(jié)果：0X28FF3C， 0X28FF10%#X表示以十六進(jìn)制形式輸出，并附帶前綴0X。a 是一個變量，用來存放整數(shù)，需要在前面加&來獲得它的地址；str 本身就表示字符串的首地址，不需要加&。

一切都是地址

C語言用變量來存儲數(shù)據(jù)，用函數(shù)來定義一段可以重復(fù)使用的代碼，它們最終都要放到內(nèi)存中才能供 CPU 使用。數(shù)據(jù)和代碼都以二進(jìn)制的形式存儲在內(nèi)存中，計算機無法從格式上區(qū)分某塊內(nèi)存到底存儲的是數(shù)據(jù)還是代碼。當(dāng)程序被加載到內(nèi)存后，操作系統(tǒng)會給不同的內(nèi)存塊指定不同的權(quán)限，擁有讀取和執(zhí)行權(quán)限的內(nèi)存塊就是代碼，而擁有讀取和寫入權(quán)限（也可能只有讀取權(quán)限）的內(nèi)存塊就是數(shù)據(jù)。CPU 只能通過地址來取得內(nèi)存中的代碼和數(shù)據(jù)，程序在執(zhí)行過程中會告知 CPU 要執(zhí)行的代碼以及要讀寫的數(shù)據(jù)的地址。如果程序不小心出錯，或者開發(fā)者有意為之，在 CPU 要寫入數(shù)據(jù)時給它一個代碼區(qū)域的地址，就會發(fā)生內(nèi)存訪問錯誤。這種內(nèi)存訪問錯誤會被硬件和操作系統(tǒng)攔截，強制程序崩潰，程序員沒有挽救的機會。CPU 訪問內(nèi)存時需要的是地址，而不是變量名和函數(shù)名！變量名和函數(shù)名只是地址的一種助記符，當(dāng)源文件被編譯和鏈接成可執(zhí)行程序后，它們都會被替換成地址。編譯和鏈接過程的一項重要任務(wù)就是找到這些名稱所對應(yīng)的地址。假設(shè)變量 a、b、c 在內(nèi)存中的地址分別是 0X1000、0X2000、0X3000，那么加法運算c = a + b;將會被轉(zhuǎn)換成類似下面的形式：

0X3000 = （0X1000） + （0X2000）;

（ ）表示取值操作，整個表達(dá)式的意思是，取出地址 0X1000 和 0X2000 上的值，將它們相加，把相加的結(jié)果賦值給地址為 0X3000 的內(nèi)存變量名和函數(shù)名為我們提供了方便，讓我們在編寫代碼的過程中可以使用易于閱讀和理解的英文字符串，不用直接面對二進(jìn)制地址，那場景簡直讓人崩潰。需要注意的是，雖然變量名、函數(shù)名、字符串名和數(shù)組名在本質(zhì)上是一樣的，它們都是地址的助記符，但在編寫代碼的過程中，我們認(rèn)為變量名表示的是數(shù)據(jù)本身，而函數(shù)名、字符串名和數(shù)組名表示的是代碼塊或數(shù)據(jù)塊的首地址。

C語言指針變量的運算

指針變量保存的是地址，本質(zhì)上是一個整數(shù)，可以進(jìn)行部分運算，例如加法、減法、比較等，請看下面的代碼：

#include 《stdio.h》

int main（）{

int a = 10， *pa = &a， *paa = &a;

double b = 99.9， *pb = &b;

char c = ‘@’， *pc = &c;

//最初的值

printf（“&a=%#X， &b=%#X， &c=%#X\n”， &a， &b， &c）;

printf（“pa=%#X， pb=%#X， pc=%#X\n”， pa， pb， pc）;

//加法運算

pa++; pb++; pc++;

printf（“pa=%#X， pb=%#X， pc=%#X\n”， pa， pb， pc）;

//減法運算

pa -= 2; pb -= 2; pc -= 2;

printf（“pa=%#X， pb=%#X， pc=%#X\n”， pa， pb， pc）;

//比較運算

if（pa == paa）{

printf（“%d\n”， *paa）;

}else{

printf（“%d\n”， *pa）;

}

return 0;

}

運行結(jié)果：

&a=0X28FF44， &b=0X28FF30， &c=0X28FF2B pa=0X28FF44， pb=0X28FF30， pc=0X28FF2B pa=0X28FF48， pb=0X28FF38， pc=0X28FF2C pa=0X28FF40， pb=0X28FF28， pc=0X28FF2A 2686784

從運算結(jié)果可以看出：pa、pb、pc 每次加 1，它們的地址分別增加 4、8、1，正好是 int、double、char 類型的長度；減 2 時，地址分別減少 8、16、2，正好是 int、double、char 類型長度的 2 倍。這很奇怪，指針變量加減運算的結(jié)果跟數(shù)據(jù)類型的長度有關(guān)，而不是簡單地加 1 或減 1，這是為什么呢？以 a 和 pa 為例，a 的類型為 int，占用 4 個字節(jié)，pa 是指向 a 的指針，如下圖所示：

pa++;使得地址加 1 的話，就會變成如下圖所示的指向關(guān)系：

紅色虛線畫出的 4 個字節(jié)，其中前 3 個是變量 a 的，后面 1 個是其它數(shù)據(jù)的，把它們“攪和”在一起顯然沒有實際的意義，取得的數(shù)據(jù)也會非常怪異。如果pa++;使得地址加 4 的話，正好能夠完全跳過整數(shù) a，指向它后面的內(nèi)存，如下圖所示：

#include 《stdio.h》

int main（）{

int a = 1， b = 2， c = 3;

int *p = &c;

int i;

for（i=0; i《8; i++）{

printf（“%d， ”， *（p+i） ）;

}

return 0;

}

在 VS2010 Debug 模式下的運行結(jié)果為：

3， -858993460， -858993460， 2， -858993460， -858993460， 1， -858993460，

可以發(fā)現(xiàn)，變量 a、b、c 并不挨著，它們中間還參雜了別的輔助數(shù)據(jù)。指針變量除了可以參與加減運算，還可以參與比較運算。當(dāng)對指針變量進(jìn)行比較運算時，比較的是指針變量本身的值，也就是數(shù)據(jù)的地址。如果地址相等，那么兩個指針就指向同一份數(shù)據(jù)，否則就指向不同的數(shù)據(jù)。上面的代碼（第一個例子）在比較 pa 和 paa 的值時，pa 已經(jīng)指向了 a 的上一份數(shù)據(jù)，所以它們不相等。而 a 的上一份數(shù)據(jù)又不知道是什么，所以會導(dǎo)致 printf（） 輸出一個沒有意義的數(shù)，這正好印證了上面的觀點，不要對指向普通變量的指針進(jìn)行加減運算。另外需要說明的是，不能對指針變量進(jìn)行乘法、除法、取余等其他運算，除了會發(fā)生語法錯誤，也沒有實際的含義。