聊聊指针

指针是什么?

指针和其他的int, float等类似, 是一种类型. 有类型就有相应类型的变量和常量. 本文主要讨论变量的情况.

指针变量就是一种变量, 和其他种类的变量类似, 但指针和其他变量又有区别.

首先C语言作为一种类型语言, 每个变量都会有几个属性.

• 变量名称.
• 变量类型.
• 变量的值.

例如int a = 3, 变量名称就是a, 变量类型是int, 变量的值是3, 如果不提供初始值, 那么变量的值可能是一个随机值.

也就是说, 任何时候看到一个变量, 就会有这3个属性.

对于指针变量, 可以认为有4个属性.

• 指针变量的名称.
• 指针变量的类型, 即指针类型.
• 指针变量的值, 即一个地址.
• 指针变量的值所指向的内存里的数据类型. 本文称做"指向类型".

可以看到指针变量的关键在于指针所指向的内存里面数据的类型.

例如int a = 3; int *b = &a;

指针变量名称是b, 指针变量类型是指针, 变量b的值是变量a的内存地址. 变量b所指向的内存的数据类型是int. 

指针变量多了一个"变量b所指向的内存的数据类型是int”, 本文将指针变量所指向的内存的数据类型称做指向类型.

任何时候看到一个指针就需要关注4点内容: 名称, 指针类型, 指针值, 指向类型. 搞清楚这几个内容, 就可以弄明白指针怎么回事, 当然还要记忆 一些例外的情形.

类型

对于C语言来说, 搞清楚变量的类型相当重要, 涉及到指针的时候就更加重要. 看到一个指针变量后需要理解其指向类型.

例如char * const * (*next)(), next是一个指针, 那么其指向类型是什么? 这个声明/定义比较复杂, 日常编程可能就会碰到比较 复杂的情况, 所以要搞清楚指针首先要懂得怎么看一个声明/定义的变量的类型.

如果看到一个变量的声明或者定义, 那么就需要弄明白变量的类型. 在<<c专家编程>>这本书中有一部分内容专门讲解怎么分析 一个变量的类型, 值得参考.

理解类型的规则

1. 从变量名称开始读取, 然后依照优先级按顺序处理.
2. 优先级从高到低 a. 括号内优先级高. b. 后缀操作符, ()表示一个函数, []表示一个数组. c. 前缀操作符, *表示"指向...的指针"
3. 如果const, volatile后面为类型(int, long等), 那么作用于类型, 其他情况下作用于const, volatile左边的指针*.

char * const * (*next)()

按照上面的规则来理解next的类型

1. 括号内的优先级最高, 即首先看(*next)
2. next左边为*, 因此next是一个指针类型
3. 然后后缀()的优先级更高, 因此next是一个指针, 指向一个函数.
4. 接着是const右边的*, 表示next是一个指针, 指向一个函数, 该函数返回值类型为一个指针.
5. char * const看作一个整体为指向字符的常量指针.

整个来说: next是一个指针, 指向一个函数, 函数的返回值也是一个指针, 指向一个类型为char的常量指针.

更详细的可以参考<<c专家编程>>

类型有什么用?

C语言为类型语言, 即每个变量都有类型. 类型在变量的赋值, 函数传参, 编译检查等等方面都会用到.

类型可以确定数据的大小和操作.

例如int a = 3, 那么在内存中会存储一个数据3, 那么对于int类型具体来说.

1. 这个数据3会占用4字节(常见32位机器与64位机器上int类型占用4字节). 实际上是有4字节的内存, 内容是0×00000003. 因此int类型就规定了占用的内存大小.
2. 对于int类型就可以进行+,-,*,/等操作, 但是不能进行取指针值(*a)的操作. 能够进行什么操作, 也是由类型规定的.

那么对于指针来说, 其指向类型就非常重要, 指向类型就规定了指针的值所指向的内存的数据是什么类型, 也就是占用多大内存, 可以进行什么操作.

sizeof

只要类型确定, 那么便可以用sizeof计算类型占用的内存大小, 这个是编译阶段便可以确定的.

对于指针类型来说, 所有指针类型占用的内存大小基本都是一样的, 例如在32bit的机器上占用4字节, 在64bit的机器上占用8字节.

下面代码的变量a和变量b都是指针类型, 但是指向类型不同. 因此sizeof(a)和sizeof(b)的值相等, 但是sizeof(*a)和sizeof(*b)不相等.

int *a;
double *b;

sizeof(a) == sizeof(b);
sizeof(*a) != sizeof(*b);

指针类型的操作

可以对指针变量进行+操作.

double a[3] = {1, 2, 3};
double *b   = a;

printf("b: %p, content: %f\n", b, *b);
printf("b+1: %p, content: %f\n", b+1, *(b+1));

int c[3] = {1, 2, 3};
int *d   = d;

printf("d: %p, content: %d\n", d, *d);
printf("d+1: %p, content: %d\n", d+1, *(d+1));

运行结果

b: 0x7fff5f9ec7e0, content: 1.000000
b+1: 0x7fff5f9ec7e8, content: 2.000000
d: 0x7fff5f9ec7d0, content: 1
d+1: 0x7fff5f9ec7d4, content: 2

可以看到b+1的值比b要大8. d+1的值比b要大4. b+1实际上是指向a[1]的内存地址. d+1是指向c[1]的内存地址.

有如下公式成立, 指针做加法后的指针变量值和指向类型占用的内存大小相关.

指针变量 + 数字 = 指针变量值 + 数字 * sizeof(指向类型)

可以看到指向类型除了告诉你指针指向的内存里面的数据类型, 在指针变量的相关运算上也是有用的.

数组类型

数组与指针有一定的相似, 同时又很不一样.

数组与指针的关键区别在于数组名是一个常量(和const常量不同). const常量表示变量的内容不会变化, 实际上还是一个变量. 这里所说的数组名为一个常量, 可以理解数组名称是一个内存地址值, 例如0×7fff5f9ec7d4.

以下面的例子来说, a本身不会占用内存, 占用内存的是a[0], a[1], a[2], 实际上a所表示的这块内存才是数组变量.

int a[10] = {0};
int *b    = a;
int (*d)[10]= &a;
int c;

c = a[1];
c = b[1];

那么a[1]和b[1]的区别就在于数组是一个常量, 而不是变量(变量本身需要占用内存).

执行c = a[1]是直接从a表示的内存地址偏移4字节的内存中取数据. 仅包含一次内存读操作.

执行c = b[1]是首先从内存中取出变量b的值, 然后将变量b的值偏移4字节, 然后从这个地址的内存中取数据. 包含2次内存读操作. 第一次是读取变量b的值.

数组的其他几个需要注意的地方。

1. 数组名称相当于地址常量, 那么这个地址指向一段内存, 因此这个地址本身会有指向类型, 其指向类型就是数组的元素类型. 例如int a[10], 那么a的指向类型就是int, 因此a+1结果实际上指向a[1].
2. sizeof(a)是计算整个数组的类型. sizeof(*a)是计算其指向类型的大小.
3. 可以对数组名进行&a操作(取地址), 实际上&a的指针值和a的指针值一样, 而且也是个地址常量, 但是&a的指向类型 是int [10], 即指向一个包含10个int元素的数组, 所以sizeof(*&a), 计算&a的指向类型的占用内存大小就是40.
4. 数组作为函数参数传递后, 在函数内使用等价于指针. 因为函数传参是进行值传递, 相当于有一个指针变量记录数组的地址值.

可以看到有的时候a看作一个数组(例如sizeof(a)是计算数组的内存占用), 有时候a看作一个地址常量(例如计算sizeof(*a)和a+1的时候). 

还有的时候完全是比较特殊的使用(例如&a得到的指向类型为int [10]的地址常量).

函数指针

函数名本身也是一个地址常量, 其指向类型为一个函数. 实际指向的是函数在内存中的指令集合的起始位置.

int foo(int a)
{
    return a;
}

int (*p_foo)(int a) = foo;

printf("%d, %d, %d\n", sizeof(foo), sizeof(*foo), sizeof(&foo));
printf("%d, %d\n", sizeof(p_foo), sizeof(*p_foo));

输出值如下:

1, 1, 8
8, 1

1. 对函数名本身计算类型占用内存大小, 其值为1, 对于函数名的指向类型计算内存占用大小其值也为1.
2. foo, *foo, &foo的类型相同, 但是sizeof(&foo)结果为8.
3. 函数指针可以进行多次解引用, *****p_foo == *p_foo = p_foo.
4. 函数指针可以进行调用, p_foo(3);

以上几点可以认为是函数的特殊情形, 直接记忆.

可以将函数的指令看作是一个unsigned char []的数组. 这样函数名就好像是一个数组名一样, 都是地址常量, 其指向类型为unsigned char类型. 但是函数指令的数组的长度是未知的, 因此编译器默认输出sizeof(foo)为1, sizeof(*foo)相当于是sizeof(unsigned char)为1.

强制类型转换

很多时候涉及到指针和强制类型转换就会感觉比较麻烦, 实际上只要抓住类型这个关键点也可以很简单.

强制类型转换的关键是一段内存, 这段内存里面的数据你把它当作什么类型来看待.

double a = 23.456;
int   *b = (int *) &a;

那么变量a有一段内存(8个字节), 里面存储了23.456(按标准浮点格式存储). 然后指针b指向这段内存, 而且指针b的指向类型是int, 因此指针b认为这段内存里面存储的是一个int类型的数据.

小结

本文内容不算全面, 但关键点都有.

每次看到指针的时候, 记住4个特征, 不管如何进行类型转换, 多少级指针, 是否包含函数指针等, 看到指针 就思考下面4点, 尤其是3,4. 练习多了之后就会发现指针本身不是很难, 难的是怎么判断数据的类型.

1. 指针名称
2. 指针类型
3. 指针内容: 指向什么地方.
4. 指向类型: 指向内存的数据类型是什么.

-END-

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