一、內(nèi)存本質(zhì)

編程的本質(zhì)其實(shí)就是更好的操控?cái)?shù)據(jù)，而我們的數(shù)據(jù)是存放在內(nèi)存中。

因此，如果能更好地理解內(nèi)存的模型，以及 C 如何管理內(nèi)存，就能對(duì)程序的工作原理洞若觀火，從而使編程能力更上一層樓。

大家真的別認(rèn)為這是空話，我大一整年都不敢用 C 寫上千行的程序也很抗拒寫 C。

只有到最后課程要求用C寫一個(gè)地鐵管理系統(tǒng)和自主學(xué)習(xí)寫紅黑樹完整的寫了超過(guò)千行的代碼

因?yàn)橐坏┥锨?，?jīng)常出現(xiàn)各種莫名其妙的內(nèi)存錯(cuò)誤，一不小心就發(fā)生了 coredump...... 而且還無(wú)從排查，分析不出原因。

直到后來(lái)對(duì)內(nèi)存和指針有了更加深刻的認(rèn)識(shí)，才慢慢會(huì)用 C\C++ 寫上千行的項(xiàng)目，也很少會(huì)再有內(nèi)存問(wèn)題了。

「指針存儲(chǔ)的是變量的內(nèi)存地址」這句話應(yīng)該任何講 C 語(yǔ)言的書都會(huì)提到吧。

所以，要想徹底理解指針，首先要理解 C 語(yǔ)言中變量的存儲(chǔ)本質(zhì)，也就是內(nèi)存。

1.1、內(nèi)存編址

計(jì)算機(jī)的內(nèi)存是一塊用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的空間，由一系列連續(xù)的存儲(chǔ)單元組成，就像下面這樣，

每一個(gè)單元格都表示 1 個(gè) Bit，一個(gè) bit 在 EE 專業(yè)的同學(xué)看來(lái)就是高低電位，而在 CS 同學(xué)看來(lái)就是 0、1 兩種狀態(tài)。

由于 1 個(gè) bit 只能表示兩個(gè)狀態(tài)，所以大佬們規(guī)定 8個(gè) bit 為一組，命名為 byte。

并且將 byte 作為內(nèi)存尋址的最小單元，也就是給每個(gè) byte 一個(gè)編號(hào)，這個(gè)編號(hào)就叫內(nèi)存的地址。

這就相當(dāng)于，我們給小區(qū)里的每個(gè)單元、每個(gè)住戶都分配一個(gè)門牌號(hào)： 301、302、403、404、501......

在生活中，我們需要保證門牌號(hào)唯一，這樣就能通過(guò)門牌號(hào)很精準(zhǔn)的定位到一家人。

同樣，在計(jì)算機(jī)中，我們也要保證給每一個(gè) byte 的編號(hào)都是唯一的，這樣才能夠保證每個(gè)編號(hào)都能訪問(wèn)到唯一確定的 byte。

1.2、內(nèi)存地址空間

上面我們說(shuō)給內(nèi)存中每個(gè) byte 唯一的編號(hào)，那么這個(gè)編號(hào)的范圍就決定了計(jì)算機(jī)可尋址內(nèi)存的范圍。

所有編號(hào)連起來(lái)就叫做內(nèi)存的地址空間，這和大家平時(shí)常說(shuō)的電腦是 32 位還是 64 位有關(guān)。

早期 Intel 8086、8088 的 CPU 就是只支持 16 位地址空間，寄存器和地址總線都是 16 位，這意味著最多對(duì) 2^16 = 64 Kb 的內(nèi)存編號(hào)尋址。

這點(diǎn)內(nèi)存空間顯然不夠用，后來(lái)，80286 在 8086 的基礎(chǔ)上將地址總線和地址寄存器擴(kuò)展到了20 位，也被叫做 A20 地址總線。

如果是寫 mini os 的時(shí)候，還需要通過(guò) BIOS 中斷去啟動(dòng) A20 地址總線的開關(guān)。

但是，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)一般都是 32 位起步了，32 位意味著可尋址的內(nèi)存范圍是 2^32 byte = 4GB。

所以，如果你的電腦是 32 位的，那么你裝超過(guò) 4G 的內(nèi)存條也是無(wú)法充分利用起來(lái)的。

好了，這就是內(nèi)存和內(nèi)存編址。

1.3、變量的本質(zhì)

有了內(nèi)存，接下來(lái)我們需要考慮，int、double 這些變量是如何存儲(chǔ)在 0、1 單元格的。

在 C 語(yǔ)言中我們會(huì)這樣定義變量：

int a = 999;
char c = 'c';

當(dāng)你寫下一個(gè)變量定義的時(shí)候，實(shí)際上是向內(nèi)存申請(qǐng)了一塊空間來(lái)存放你的變量。

我們都知道 int 類型占 4 個(gè)字節(jié)，并且在計(jì)算機(jī)中數(shù)字都是用補(bǔ)碼（不了解補(bǔ)碼的記得去百度）表示的。

999 換算成補(bǔ)碼就是：0000 0011 1110 0111

c 這里有 4 個(gè)byte，所以需要四個(gè)單元格來(lái)存儲(chǔ)：

有沒(méi)有注意到，我們把高位的字節(jié)放在了低地址的地方。

那能不能反過(guò)來(lái)呢？

當(dāng)然，這就引出了大端和小端。

像上面這種將高位字節(jié)放在內(nèi)存低地址的方式叫做大端

反之，將低位字節(jié)放在內(nèi)存低地址的方式就叫做小端：

上面只說(shuō)明了 int 型的變量如何存儲(chǔ)在內(nèi)存，而 float、char 等類型實(shí)際上也是一樣的，都需要先轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼。

對(duì)于多字節(jié)的變量類型，還需要按照大端或者小端的格式，依次將字節(jié)寫入到內(nèi)存單元。

記住上面這兩張圖，這就是編程語(yǔ)言中所有變量的在內(nèi)存中的樣子，不管是 int、char、指針、數(shù)組、結(jié)構(gòu)體、對(duì)象... 都是這樣放在內(nèi)存的。

二、指針是什么東西？

2.1、變量放在哪？

上面我說(shuō)，定義一個(gè)變量實(shí)際就是向計(jì)算機(jī)申請(qǐng)了一塊內(nèi)存來(lái)存放。

那如果我們要想知道變量到底放在哪了呢？

可以通過(guò)運(yùn)算符&來(lái)取得變量實(shí)際的地址，這個(gè)值就是變量所占內(nèi)存塊的起始地址。

(PS: 實(shí)際上這個(gè)地址是虛擬地址，并不是真正物理內(nèi)存上的地址

我們可以把這個(gè)地址打印出來(lái):

printf("%x", &a);

大概會(huì)是像這樣的一串?dāng)?shù)字:0x7ffcad3b8f3c

2.2、指針本質(zhì)

上面說(shuō)，我們可以通過(guò)&符號(hào)獲取變量的內(nèi)存地址，那獲取之后如何來(lái)表示這是一個(gè)地址，而不是一個(gè)普通的值呢？

也就是在 C 語(yǔ)言中如何表示地址這個(gè)概念呢？

對(duì)，就是指針，你可以這樣:

int *pa = &a; 

pa 中存儲(chǔ)的就是變量 a 的地址，也叫做指向 a 的指針。

在這里我想談幾個(gè)看起來(lái)有點(diǎn)無(wú)聊的話題：

為什么我們需要指針？直接用變量名不行嗎？

當(dāng)然可以，但是變量名是有局限的。

變量名的本質(zhì)是什么？

是變量地址的符號(hào)化，變量是為了讓我們編程時(shí)更加方便，對(duì)人友好，可計(jì)算機(jī)可不認(rèn)識(shí)什么變量 a，它只知道地址和指令。

所以當(dāng)你去查看 C 語(yǔ)言編譯后的匯編代碼，就會(huì)發(fā)現(xiàn)變量名消失了，取而代之的是一串串抽象的地址。

你可以認(rèn)為，編譯器會(huì)自動(dòng)維護(hù)一個(gè)映射，將我們程序中的變量名轉(zhuǎn)換為變量所對(duì)應(yīng)的地址，然后再對(duì)這個(gè)地址去進(jìn)行讀寫。

也就是有這樣一個(gè)映射表存在，將變量名自動(dòng)轉(zhuǎn)化為地址：

a  | 0x7ffcad3b8f3c

c  | 0x7ffcad3b8f2c

h  | 0x7ffcad3b8f4c

....

說(shuō)的好！

可是我還是不知道指針存在的必要性，那么問(wèn)題來(lái)了，看下面代碼:

int func(...) {
  ... 
};

int main() {
 int a;
 func(...);
};

假設(shè)我有一個(gè)需求：

要求在func 函數(shù)里要能夠修改 main 函數(shù)里的變量 a，這下咋整，在 main 函數(shù)里可以直接通過(guò)變量名去讀寫 a 所在內(nèi)存。

但是在 func 函數(shù)里是看不見(jiàn)a 的呀。

你說(shuō)可以通過(guò)&取地址符號(hào)，將 a 的地址傳遞進(jìn)去：

int func(int address) {
  ....
};

int main() {
 int a;
 func(&a);
};

這樣在func 里就能獲取到 a 的地址，進(jìn)行讀寫了。

理論上這是完全沒(méi)有問(wèn)題的，但是問(wèn)題在于:

編譯器該如何區(qū)分一個(gè) int 里你存的到底是 int 類型的值，還是另外一個(gè)變量的地址（即指針）。

這如果完全靠我們編程人員去人腦記憶了，會(huì)引入復(fù)雜性，并且無(wú)法通過(guò)編譯器檢測(cè)一些語(yǔ)法錯(cuò)誤。

而通過(guò)int * 去定義一個(gè)指針變量，會(huì)非常明確：這就是另外一個(gè) int 型變量的地址。

編譯器也可以通過(guò)類型檢查來(lái)排除一些編譯錯(cuò)誤。

這就是指針存在的必要性。

實(shí)際上任何語(yǔ)言都有這個(gè)需求，只不過(guò)很多語(yǔ)言為了安全性，給指針戴上了一層枷鎖，將指針包裝成了引用。

可能大家學(xué)習(xí)的時(shí)候都是自然而然的接受指針這個(gè)東西，但是還是希望這段啰嗦的解釋對(duì)你有一定啟發(fā)。

同時(shí)，在這里提點(diǎn)小問(wèn)題：

既然指針的本質(zhì)都是變量的內(nèi)存首地址，即一個(gè) int 類型的整數(shù)。

那為什么還要有各種類型呢？

比如 int 指針，float 指針，這個(gè)類型影響了指針本身存儲(chǔ)的信息嗎？

這個(gè)類型會(huì)在什么時(shí)候發(fā)揮作用？

2.3、解引用

上面的問(wèn)題，就是為了引出指針解引用的。

pa中存儲(chǔ)的是a變量的內(nèi)存地址，那如何通過(guò)地址去獲取a的值呢？

這個(gè)操作就叫做解引用，在 C 語(yǔ)言中通過(guò)運(yùn)算符 *就可以拿到一個(gè)指針?biāo)傅刂返膬?nèi)容了。

比如*pa就能獲得a的值。

我們說(shuō)指針存儲(chǔ)的是變量?jī)?nèi)存的首地址，那編譯器怎么知道該從首地址開始取多少個(gè)字節(jié)呢？

這就是指針類型發(fā)揮作用的時(shí)候，編譯器會(huì)根據(jù)指針的所指元素的類型去判斷應(yīng)該取多少個(gè)字節(jié)。

如果是 int 型的指針，那么編譯器就會(huì)產(chǎn)生提取四個(gè)字節(jié)的指令，char 則只提取一個(gè)字節(jié)，以此類推。

下面是指針內(nèi)存示意圖:

pa 指針首先是一個(gè)變量，它本身也占據(jù)一塊內(nèi)存，這塊內(nèi)存里存放的就是 a 變量的首地址。

當(dāng)解引用的時(shí)候，就會(huì)從這個(gè)首地址連續(xù)劃出 4 個(gè) byte，然后按照 int 類型的編碼方式解釋。

2.4、活學(xué)活用

別看這個(gè)地方很簡(jiǎn)單，但卻是深刻理解指針的關(guān)鍵。

舉兩個(gè)例子來(lái)詳細(xì)說(shuō)明：

比如：

float f = 1.0;
short c = *(short*)&f; 

你能解釋清楚上面過(guò)程，對(duì)于 f 變量，在內(nèi)存層面發(fā)生了什么變化嗎？

或者 c 的值是多少？1 ？

實(shí)際上，從內(nèi)存層面來(lái)說(shuō)，f 什么都沒(méi)變。

如圖:

假設(shè)這是f 在內(nèi)存中的位模式，這個(gè)過(guò)程實(shí)際上就是把 f 的前兩個(gè) byte 取出來(lái)然后按照 short 的方式解釋，然后賦值給 c。

詳細(xì)過(guò)程如下：

1.&f取得f 的首地址(short*)&f

2.上面第二步什么都沒(méi)做，這個(gè)表達(dá)式只是說(shuō) ：

“噢，我認(rèn)為f這個(gè)地址放的是一個(gè) short 類型的變量”

最后當(dāng)去解引用的時(shí)候*(short*)&f時(shí)，編譯器會(huì)取出前面兩個(gè)字節(jié)，并且按照 short 的編碼方式去解釋，并將解釋出的值賦給 c 變量。

這個(gè)過(guò)程 f的位模式?jīng)]有發(fā)生任何改變，變的只是解釋這些位的方式。

當(dāng)然，這里最后的值肯定不是 1，至于是什么，大家可以去真正算一下。

那反過(guò)來(lái)，這樣呢？

short c = 1;
float f = *(float*)&c;

如圖：

具體過(guò)程和上述一樣，但上面肯定不會(huì)報(bào)錯(cuò)，這里卻不一定。

為什么？

(float*)&c會(huì)讓我們從c 的首地址開始取四個(gè)字節(jié)，然后按照 float 的編碼方式去解釋。

但是c是 short 類型只占兩個(gè)字節(jié)，那肯定會(huì)訪問(wèn)到相鄰后面兩個(gè)字節(jié)，這時(shí)候就發(fā)生了內(nèi)存訪問(wèn)越界。

當(dāng)然，如果只是讀，大概率是沒(méi)問(wèn)題的。

但是，有時(shí)候需要向這個(gè)區(qū)域?qū)懭胄碌闹?，比如?/p>

*(float*)&c = 1.0;

那么就可能發(fā)生 coredump，也就是訪存失敗。

另外，就算是不會(huì) coredump，這種也會(huì)破壞這塊內(nèi)存原有的值，因?yàn)楹芸赡苓@是是其它變量的內(nèi)存空間，而我們?nèi)ジ采w了人家的內(nèi)容，肯定會(huì)導(dǎo)致隱藏的 bug。

如果你理解了上面這些內(nèi)容，那么使用指針一定會(huì)更加的自如。

2.5、看個(gè)小問(wèn)題

講到這里，我們來(lái)看一個(gè)問(wèn)題，這是一位C語(yǔ)言交流群的群友問(wèn)的，這是他的需求：

這是他寫的代碼：

他把 double 寫進(jìn)文件再讀出來(lái)，然后發(fā)現(xiàn)打印的值對(duì)不上。

而關(guān)鍵的地方就在于這里:

char buffer[4];
...
printf("%f %x\n", *buffer, *buffer);

他可能認(rèn)為 buffer 是一個(gè)指針（準(zhǔn)確說(shuō)是數(shù)組），對(duì)指針解引用就該拿到里面的值，而里面的值他認(rèn)為是從文件讀出來(lái)的 4 個(gè)byte，也就是之前的 float 變量。

注意，這一切都是他認(rèn)為的，實(shí)際上編譯器會(huì)認(rèn)為：

“哦，buffer 是 char類型的指針，那我取第一個(gè)字節(jié)出來(lái)就好了”。

然后把第一個(gè)字節(jié)的值傳遞給了 printf 函數(shù)，printf 函數(shù)會(huì)發(fā)現(xiàn)，%f 要求接收的是一個(gè) float 浮點(diǎn)數(shù)，那就會(huì)自動(dòng)把第一個(gè)字節(jié)的值轉(zhuǎn)換為一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)打印出來(lái)。

這就是整個(gè)過(guò)程。

錯(cuò)誤關(guān)鍵就是，這個(gè)同學(xué)誤認(rèn)為，任何指針解引用都是拿到里面“我們認(rèn)為的那個(gè)值”，實(shí)際上編譯器并不知道，編譯器只會(huì)傻傻的按照指針的類型去解釋。

所以這里改成：

printf("%f %x\n", *(float*)buffer, *(float*)buffer);

相當(dāng)于明確的告訴編譯器：

“buffer指向的這個(gè)地方，我放的是一個(gè) float，你給我按照 float 去解釋”

三、 結(jié)構(gòu)體和指針

結(jié)構(gòu)體內(nèi)包含多個(gè)成員，這些成員之間在內(nèi)存中是如何存放的呢？

比如：

struct fraction {
 int num; // 整數(shù)部分
 int denom; // 小數(shù)部分
};

struct fraction fp;
fp.num = 10;
fp.denom = 2;

這是一個(gè)定點(diǎn)小數(shù)結(jié)構(gòu)體，它在內(nèi)存占 8 個(gè)字節(jié)（這里不考慮內(nèi)存對(duì)齊），兩個(gè)成員域是這樣存儲(chǔ)的：

image-20201030214416842

我們把 10 放在了結(jié)構(gòu)體中基地址偏移為 0 的域，2 放在了偏移為 4 的域。

接下來(lái)我們做一個(gè)正常人永遠(yuǎn)不會(huì)做的操作：

((fraction*)(&fp.denom))->num = 5; 
((fraction*)(&fp.denom))->denom = 12; 
printf("%d\n", fp.denom); // 輸出多少？

上面這個(gè)究竟會(huì)輸出多少呢？自己先思考下噢~

接下來(lái)我分析下這個(gè)過(guò)程發(fā)生了什么：

首先，&fp.denom表示取結(jié)構(gòu)體 fp 中 denom 域的首地址，然后以這個(gè)地址為起始地址取 8 個(gè)字節(jié)，并且將它們看做一個(gè) fraction 結(jié)構(gòu)體。

在這個(gè)新結(jié)構(gòu)體中，最上面四個(gè)字節(jié)變成了 denom 域，而 fp 的 denom 域相當(dāng)于新結(jié)構(gòu)體的 num 域。

因此：

((fraction*)(&fp.denom))->num = 5

實(shí)際上改變的是 fp.denom，而

((fraction*)(&fp.denom))->denom = 12

則是將最上面四個(gè)字節(jié)賦值為 12。

當(dāng)然，往那四字節(jié)內(nèi)存寫入值，結(jié)果是無(wú)法預(yù)測(cè)的，可能會(huì)造成程序崩潰，因?yàn)橐苍S那里恰好存儲(chǔ)著函數(shù)調(diào)用棧幀的關(guān)鍵信息，也可能那里沒(méi)有寫入權(quán)限。

大家初學(xué) C 語(yǔ)言的很多 coredump 錯(cuò)誤都是類似原因造成的。

所以最后輸出的是 5。

為什么要講這種看起來(lái)莫名其妙的代碼？

就是為了說(shuō)明結(jié)構(gòu)體的本質(zhì)其實(shí)就是一堆的變量打包放在一起，而訪問(wèn)結(jié)構(gòu)體中的域，就是通過(guò)結(jié)構(gòu)體的起始地址，也叫基地址，然后加上域的偏移。

其實(shí)，C++、Java 中的對(duì)象也是這樣存儲(chǔ)的，無(wú)非是他們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)某些面向?qū)ο蟮奶匦?，?huì)在數(shù)據(jù)成員以外，添加一些 Head 信息，比如C++ 的虛函數(shù)表。

實(shí)際上，我們是完全可以用 C 語(yǔ)言去模仿的。

這就是為什么一直說(shuō) C 語(yǔ)言是基礎(chǔ)，你真正懂了 C 指針和內(nèi)存，對(duì)于其它語(yǔ)言你也會(huì)很快的理解其對(duì)象模型以及內(nèi)存布局。

四、多級(jí)指針

說(shuō)起多級(jí)指針這個(gè)東西，我以前大一，最多理解到 2 級(jí)，再多真的會(huì)把我繞暈，經(jīng)常也會(huì)寫錯(cuò)代碼。

你要是給我寫個(gè)這個(gè)：int ******p 能把我搞崩潰，我估計(jì)很多同學(xué)現(xiàn)在就是這種情況🤣

其實(shí)，多級(jí)指針也沒(méi)那么復(fù)雜，就是指針的指針的指針的指針......非常簡(jiǎn)單。

今天就帶大家認(rèn)識(shí)一下多級(jí)指針的本質(zhì)。

首先，我要說(shuō)一句話，沒(méi)有多級(jí)指針這種東西，指針就是指針，多級(jí)指針只是為了我們方便表達(dá)而取的邏輯概念。

首先看下生活中的快遞柜：

這種大家都用過(guò)吧，豐巢或者超市儲(chǔ)物柜都是這樣，每個(gè)格子都有一個(gè)編號(hào)，我們只需要拿到編號(hào)，然后就能找到對(duì)應(yīng)的格子，取出里面的東西。

這里的格子就是內(nèi)存單元，編號(hào)就是地址，格子里放的東西就對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)在內(nèi)存中的內(nèi)容。

假設(shè)我把一本書，放在了 03 號(hào)格子，然后把 03 這個(gè)編號(hào)告訴你，你就可以根據(jù) 03 去取到里面的書。

那如果我把書放在 05 號(hào)格子，然后在 03 號(hào)格子只放一個(gè)小紙條，上面寫著：「書放在 05 號(hào)」。

你會(huì)怎么做？

當(dāng)然是打開 03 號(hào)格子，然后取出了紙條，根據(jù)上面內(nèi)容去打開 05 號(hào)格子得到書。

這里的 03 號(hào)格子就叫指針，因?yàn)樗锩娣诺氖侵赶蚱渌褡拥男〖垪l（地址）而不是具體的書。

明白了嗎？

那我如果把書放在 07 號(hào)格子，然后在 05 號(hào)格子 放一個(gè)紙條：「書放在 07號(hào)」，同時(shí)在03號(hào)格子放一個(gè)紙條「書放在 05號(hào)」

這里的 03 號(hào)格子就叫二級(jí)指針，05 號(hào)格子就叫指針，而 07 號(hào)就是我們平常用的變量。

依次，可類推出 N 級(jí)指針。

所以你明白了嗎？同樣的一塊內(nèi)存，如果存放的是別的變量的地址，那么就叫指針，存放的是實(shí)際內(nèi)容，就叫變量。

int a;
int *pa = &a;
int **ppa = &pa;
int ***pppa = &ppa;

上面這段代碼，pa就叫一級(jí)指針，也就是平時(shí)常說(shuō)的指針，ppa 就是二級(jí)指針。

內(nèi)存示意圖如下:

不管幾級(jí)指針有兩個(gè)最核心的東西：

指針本身也是一個(gè)變量，需要內(nèi)存去存儲(chǔ)，指針也有自己的地址指針內(nèi)存存儲(chǔ)的是它所指向變量的地址

這就是我為什么多級(jí)指針是邏輯上的概念，實(shí)際上一塊內(nèi)存要么放實(shí)際內(nèi)容，要么放其它變量地址，就這么簡(jiǎn)單。

怎么去解讀int **a這種表達(dá)呢？

int ** a` 可以把它分為兩部分看，即`int*` 和 `*a`，后面 `*a` 中的`*`表示 `a` 是一個(gè)指針變量，前面的 `int*` 表示指針變量`a

只能存放 int* 型變量的地址。

對(duì)于二級(jí)指針甚至多級(jí)指針，我們都可以把它拆成兩部分。

首先不管是多少級(jí)的指針變量，它首先是一個(gè)指針變量，指針變量就是一個(gè)*，其余的*表示的是這個(gè)指針變量只能存放什么類型變量的地址。

比如int****a表示指針變量 a 只能存放int*** 型變量的地址。

五、指針與數(shù)組

5.1、一維數(shù)組

數(shù)組是 C 自帶的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，徹底理解數(shù)組及其用法是開發(fā)高效應(yīng)用程序的基礎(chǔ)。

數(shù)組和指針表示法緊密關(guān)聯(lián)，在合適的上下文中可以互換。

如下：

int array[10] = {10, 9, 8, 7};
printf("%d\n", *array);  //  輸出 10
printf("%d\n", array[0]);  // 輸出 10

printf("%d\n", array[1]);  // 輸出 9
printf("%d\n", *(array+1)); // 輸出 9

int *pa = array;
printf("%d\n", *pa);  //  輸出 10
printf("%d\n", pa[0]);  // 輸出 10

printf("%d\n", pa[1]);  // 輸出 9
printf("%d\n", *(pa+1)); // 輸出 9

在內(nèi)存中，數(shù)組是一塊連續(xù)的內(nèi)存空間：

第 0 個(gè)元素的地址稱為數(shù)組的首地址，數(shù)組名實(shí)際就是指向數(shù)組首地址，當(dāng)我們通過(guò)array[1]或者*(array + 1) 去訪問(wèn)數(shù)組元素的時(shí)候。

實(shí)際上可以看做 address[offset]，address 為起始地址，offset 為偏移量，但是注意這里的偏移量offset 不是直接和 address相加，而是要乘以數(shù)組類型所占字節(jié)數(shù)，也就是： address + sizeof(int) * offset。

學(xué)過(guò)匯編的同學(xué)，一定對(duì)這種方式不陌生，這是匯編中尋址方式的一種：基址變址尋址。

看完上面的代碼，很多同學(xué)可能會(huì)認(rèn)為指針和數(shù)組完全一致，可以互換，這是完全錯(cuò)誤的。

盡管數(shù)組名字有時(shí)候可以當(dāng)做指針來(lái)用，但數(shù)組的名字不是指針。

最典型的地方就是在 sizeof:

printf("%u", sizeof(array));
printf("%u", sizeof(pa));

第一個(gè)將會(huì)輸出 40，因?yàn)?array包含有 10 個(gè)int類型的元素，而第二個(gè)在 32 位機(jī)器上將會(huì)輸出 4，也就是指針的長(zhǎng)度。

為什么會(huì)這樣呢？

站在編譯器的角度講，變量名、數(shù)組名都是一種符號(hào)，它們都是有類型的，它們最終都要和數(shù)據(jù)綁定起來(lái)。

變量名用來(lái)指代一份數(shù)據(jù)，數(shù)組名用來(lái)指代一組數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)集合），它們都是有類型的，以便推斷出所指代的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。

對(duì)，數(shù)組也有類型，我們可以將 int、float、char 等理解為基本類型，將數(shù)組理解為由基本類型派生得到的稍微復(fù)雜一些的類型，數(shù)組的類型由元素的類型和數(shù)組的長(zhǎng)度共同構(gòu)成。而 sizeof 就是根據(jù)變量的類型來(lái)計(jì)算長(zhǎng)度的，并且計(jì)算的過(guò)程是在編譯期，而不會(huì)在程序運(yùn)行時(shí)。

編譯器在編譯過(guò)程中會(huì)創(chuàng)建一張專門的表格用來(lái)保存變量名及其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類型、地址、作用域等信息。

sizeof 是一個(gè)操作符，不是函數(shù)，使用 sizeof 時(shí)可以從這張表格中查詢到符號(hào)的長(zhǎng)度。

所以，這里對(duì)數(shù)組名使用sizeof可以查詢到數(shù)組實(shí)際的長(zhǎng)度。

pa 僅僅是一個(gè)指向 int 類型的指針，編譯器根本不知道它指向的是一個(gè)整數(shù)，還是一堆整數(shù)。

雖然在這里它指向的是一個(gè)數(shù)組，但數(shù)組也只是一塊連續(xù)的內(nèi)存，沒(méi)有開始和結(jié)束標(biāo)志，也沒(méi)有額外的信息來(lái)記錄數(shù)組到底多長(zhǎng)。

所以對(duì) pa 使用 sizeof 只能求得的是指針變量本身的長(zhǎng)度。

也就是說(shuō)，編譯器并沒(méi)有把 pa 和數(shù)組關(guān)聯(lián)起來(lái)，pa 僅僅是一個(gè)指針變量，不管它指向哪里，sizeof求得的永遠(yuǎn)是它本身所占用的字節(jié)數(shù)。

5.2、二維數(shù)組

大家不要認(rèn)為二維數(shù)組在內(nèi)存中就是按行、列這樣二維存儲(chǔ)的，實(shí)際上，不管二維、三維數(shù)組... 都是編譯器的語(yǔ)法糖。

存儲(chǔ)上和一維數(shù)組沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，舉個(gè)例子：

int array[3][3] = {{1, 2，3}, {4, 5，6}，{7, 8, 9}};
array[1][1] = 5;

或許你以為在內(nèi)存中 array 數(shù)組會(huì)像一個(gè)二維矩陣:

1  2  3

4  5  6

7  8  9

可實(shí)際上它是這樣的：

1  2  3  4  5  6  7  8  9

和一維數(shù)組沒(méi)有什么區(qū)別，都是一維線性排列。

當(dāng)我們像 array[1][1]這樣去訪問(wèn)的時(shí)候，編譯器會(huì)怎么去計(jì)算我們真正所訪問(wèn)元素的地址呢？

為了更加通用化，假設(shè)數(shù)組定義是這樣的:

int array[n][m]

訪問(wèn): array[a][b]

那么被訪問(wèn)元素地址的計(jì)算方式就是: array + (m * a + b)

這個(gè)就是二維數(shù)組在內(nèi)存中的本質(zhì)，其實(shí)和一維數(shù)組是一樣的，只是語(yǔ)法糖包裝成一個(gè)二維的樣子。

六、神奇的 void 指針

想必大家一定看到過(guò) void 的這些用法：

void func();
int func1(void);

在這些情況下，void 表達(dá)的意思就是沒(méi)有返回值或者參數(shù)為空。

但是對(duì)于 void 型指針卻表示通用指針，可以用來(lái)存放任何數(shù)據(jù)類型的引用。

下面的例子就 是一個(gè) void 指針：

void *ptr;

void 指針最大的用處就是在 C 語(yǔ)言中實(shí)現(xiàn)泛型編程，因?yàn)槿魏沃羔樁伎梢员毁x給 void 指針，void 指針也可以被轉(zhuǎn)換回原來(lái)的指針類型， 并且這個(gè)過(guò)程指針實(shí)際所指向的地址并不會(huì)發(fā)生變化。

比如:

int num;
int *pi = # 
printf("address of pi: %p\n", pi);
void* pv = pi;
pi = (int*) pv; 
printf("address of pi: %p\n", pi);

這兩次輸出的值都會(huì)是一樣:

平?？赡芎苌贂?huì)這樣去轉(zhuǎn)換，但是當(dāng)你用 C 寫大型軟件或者寫一些通用庫(kù)的時(shí)候，一定離不開 void 指針，這是 C 泛型的基石，比如 std 庫(kù)里的 sort 函數(shù)申明是這樣的:

void qsort(void *base,int nelem,int width,int (*fcmp)(const void *,const void *));

所有關(guān)于具體元素類型的地方全部用 void 代替。

void 還可以用來(lái)實(shí)現(xiàn) C 語(yǔ)言中的多態(tài)，這是一個(gè)挺好玩的東西。

不過(guò)也有需要注意的:

不能對(duì) void 指針解引用

比如：

int num;
void *pv = (void*)#
*pv = 4; // 錯(cuò)誤

為什么？

因?yàn)榻庖玫谋举|(zhì)就是編譯器根據(jù)指針?biāo)傅念愋停缓髲闹羔標(biāo)赶虻膬?nèi)存連續(xù)取 N 個(gè)字節(jié)，然后將這 N 個(gè)字節(jié)按照指針的類型去解釋。

比如 int *型指針，那么這里 N 就是 4，然后按照 int 的編碼方式去解釋數(shù)字。

但是 void，編譯器是不知道它到底指向的是 int、double、或者是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，所以編譯器沒(méi)法對(duì) void 型指針解引用。

七、花式秀技

很多人認(rèn)為 C 就只能面向過(guò)程編程，實(shí)際上利用指針和結(jié)構(gòu)體，我們一樣可以在 C 中模擬出對(duì)象、繼承、多態(tài)等東西。

也可以利用 void 指針實(shí)現(xiàn)泛型編程，也就是 Java、C++ 中的模板。

實(shí)際上用 C 實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蟆⒛０?、繼承也是很有趣的東西，當(dāng)你知道了如何用 C 去實(shí)現(xiàn)這些東西，那你對(duì) C++ 中的對(duì)象、Java 中的對(duì)象也會(huì)理解得更加透徹。

以上就是詳解為什么指針被譽(yù)為C語(yǔ)言靈魂的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于C語(yǔ)言指針的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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