指针，很难吗？| 解析指针的过程与意义（一）

导读：指针是 C 语言的灵魂，该如何真正理解并运用呢？这篇文章告诉你答案！

终于到了 C 语言中最为重要的指针环节了。之前一直以积累为主，不敢写，或者说不愿意写，因为没有足够的高度写出来的东西很多都是片面的，当然现在我也不敢说我目前写出来的就一定是全面的，只是对于普通的程序员来说，也算比较全面了吧！当然因为东西太多，有可能会有忘记的地方，到时候再更新补充吧。

这里将数组和指针放在一块介绍，是因为他们很像，很像的东西放在一块比较能找出它们的差异性了，以后使用的时候也就不容易犯迷糊了。并且这里将穿插测试代码和从汇编的角度去理解 C 语言，这样可能更容易掌握指针。

注意，所有的测试工作都是在 KEIL 、STM32开发平台下的，其他平台不敢保证这是对的。

先概括一下本文大纲（如果道友看到的不全，请关注公众号查看）：

1、解析指针的过程与意义（重点）

2、指针大小、强制转换、二级指针、结构体指针、函数指针

3、指针和数组

4、指针与寄存器

5、指针与外设

6、溢出与使用效率问题

解析指针的过程与意义（重点）

什么是指针？鱼鹰不想用教科书式的语句去介绍，这样就失去了本篇笔记的意义了。

现在我们想象这样一个场景，广场里有一个个由学生组成的方阵，每个方阵有大有小，这些学生由教官统一指挥（军训场景）。

现在教官想要通知第一方阵的2号同学唱首军歌该怎么做？正常情况下应该是教官眼睛先看向第一方阵的位置，然后看向2号同学（发现是黄四郎），“抬起头来，唱首《中国军魂》”，实际上他想走个“走个虎虎生风，走个一日千里，走个恍如隔世”（教官寻找2号同学的过程其实就是结构体内数据寻址的过程）。

一个、两个人的通知，对教官来说不算啥，但是如果有很多人需要分别通知到呢？

怎么办？分级管理。

既然力不从心，那么我就找几个助手呗（也是学生，但不属于各个方阵内的学生，上图蓝色部分学生，学生助手比较特殊，占用位置空间大小是方阵内学生的4倍，毕竟是小官了）。

刚开始这些学生助手满脑子都是在想着怎么偷懒，不想军训，怎么办，只能先来个思想教育（指针清零），然后让每个助手记忆各自方阵的成员（指针赋值），还有可能时间紧，思想教育都省了，直接记忆。

一段时间后，每个助手对方阵内的各个成员都熟悉起来了。

熟悉到什么程度呢？你随便问一个位置他都知道那里站的是谁，比如10号位置就是张三，12号位置是李四。

但是你要问他其它方阵内的同学，他就支支吾吾了。

现在假设他们管理的方阵如下：

现在管理很明确了，咱再来通知一遍！

为了通知黄四郎唱军歌给教官听，教官就得先告诉助手学生A，再让A同学通知2号唱歌。

其他方阵内的通知也是同样道理。

这样一来，想通知哪个方阵的哪位同学，只要通知管理该方阵的助手即可，该助手自会通知到具体的同学的。

如此这般，教官只要管理六个人，就能把六个方阵的所有学生都管理起来了，大大减少了教官的管理负担，但是好处仅是如此吗？非也！

现在假设第一方阵的学生都有一个替身（可理解为影分身，特点就是基因相同，也长得一样，比如1号同学很聪明，那它的替身也聪明，3号同学比较笨，它的替身也比较笨，但是它们的记忆可能不一样）：

现在助手人数只有那么多，不够该咋办？

从道理上讲，应该找管理第一方阵的助手A代理替身第一方阵，为啥，因为他最熟悉第一方阵的人员配置啊（比如他知道21号同学有事请假了，所以替身第一方阵也没有它的替身，这样教官要找21号时助手A就可以马上他说不在了），但是学生助手A不愿意啊，这怎么行，一个人管两个方阵，会累死人的，可教官不管，毕竟上哪找一个能很快熟悉第一方阵的人啊。

但是既想让助手A管理分身方阵，又要照顾助手A的心情，不能有让他抗拒心理，咋办？

很快，教官想出了办法：催眠（换句话说，就是修改记忆）。

教官是个催眠高手，很快助手A就被催眠了，虽然第一方阵和替身方阵长得一模一样，但是它们站的位置是不一样的，所以他认定了离教官远的那个方阵是他管理的方阵，而旁边那个才是分身方阵。

现在继续通知2号黄四郎（“咋又是我啊”），不过这一次通知的是他的替身，这下该怎么做呢。

因为事先助手A已经被催眠了，所以当教官告诉助手A要找黄四郎时，助手A自然而然的通知了替身方阵内的黄四郎，而且他很高兴的执行了，因为不用多管一个方阵了。

当教官要通知真正的黄四郎时，又得催眠一遍，让助手A认定离教官近的是自己管理的方队，没办法，缺人嘛，只能教官辛苦一下了。

现在咱们再假设一种情况，第四方阵的替身组成了一个新方阵，有几个推迟上学的赶回来军训了，教官将他们安排在第四方阵后面：

同样的，还是缺人，这个时候应该催眠谁呢？

当然是学生助手D了，为啥，因为第四方阵他最熟悉啊，第四方阵（部分替身）和第四方阵只有两点不同：

第一：站的位置不一样。

第二：多了后面部分迟到同学。

催眠他去管理这部分学生是不错的选择，但是因为学生D只对原生的第四方阵熟悉，对后面赶来的同学不熟悉，无法管理，也不知道原来30号同学后面还有一堆人（嗯，近视了），所以教官问催眠后的助手D方阵共有几人时，只会说共有30人，4人未到。

所以教官被学生D误导了，他很相信学生D报告的结果，但是如果他去替身方阵后面查看的话，会发现那里还站着不少人呢！

上述场景描述应该很容易就理解了，那么如何和我们的C语言指针联系起来呢？

教官是CPU，一个个学生所站的位置就是内存空间，而学生是这块空间的属性（聪明还是笨，或者其他属性），而学生的记忆就是内存空间的内容。

那么方阵是什么？由程序定义的数据结构。这个数据结构需要占用空间，有大有小，也可能内部空缺（内存对齐需要）。

那么那些助手又是什么？本篇的主角：指针。虽然它担任着管理任务，但是它的本质还是学生，只是赋予了管理职责（它也可以只管理一个学生（字节），不一定是方阵（结构体等））。

那么那两个假设在C语言中又代表了什么？

重新赋值和强制转换赋值（强行把一个大方阵交给一个只能管理小方阵的助手，但是他自己本身是不知道自己管理了超出自己能力的方阵的）。

现在我们再往细了说，和实际C语言代码联系起来：

上图定义了三个方阵，每个方阵的结构是不太一样的（关于typedef和struct关键字可看鱼鹰相关笔记），为了更好的理解接下来的知识，以方阵 1 为例介绍上述代码的含义。

注释“方阵蓝图”部分，就如注释一般，就是一个蓝图，它只是告诉编译器，这个方阵1应该怎么安排，但实际上根本还不存在这个东西，这就是一张蓝图，只用于参考之用（可理解为建筑工人拿着一张建筑图，准备按建筑图的模样建造一栋房子，但还没开始建）。

那怎么利用这个蓝图搭建一个方阵出来呢（按建筑图搭建出一个实实在在的房子）？在C语言里面只需要一句话即可完成，就是上图中另一个方框内的代码。

那么第一个假设在C语言里是怎样的呢？

首先需要一个替身方阵，这个方阵和方阵1应该是一样的，因为方阵 1 是按照蓝图设计的实物（在内存中占有空间，而方阵蓝图不存在内存中），所以咱们可以用蓝图继续建一个方阵出来：

可以看到这个替身方阵1（SquareMatrix_1_StandIn）和方阵1的创建过程没有两样，换句话说，两者是等价的，只有一点区别，就是占用的内存位置不一样（可理解为你在北京建了一个房子，然后又在深圳按照北京的房子样式又建了一栋一模一样的房子，区别就是现实中你可以直接以北京的房子为蓝图建造，而在C语言中，你必须先有一个蓝图，才能建一栋北京的房子（SquareMatrix_1）和深圳的房子（SquareMatrix_1_StandIn））。

现在我们理解了替身方阵和方阵之间的关系，再来说说前面所说的催眠问题，在C语言中是如何实现的呢？

首先需要一个助手，这样才有催眠对象嘛。这个助手有什么特别（属性）呢：他只能管理以方阵1为蓝图构建的方阵。在C语言怎么达到这个要求呢？

这样符合要求的助手A就诞生了。

现在教练（CPU）让他管理去管理方阵1：

可以看到，在实际代码中根本没有CPU（教官）的身影，但它却无处不在，因为代码就是靠CPU一步步执行的。

现在又想让他管理替身方阵，就得催眠一下：

可以看到，你理解的催眠在C代码上和开始教练就让助手A管理方阵1没啥区别，从宏观上理解，开始就让助手A管理方阵1也可以认为是一次催眠操作，只是在这次催眠之前助手A是没有任何管理对象的。从这里也可以理解，单独的没有指向一块内存的指针是没有意义的，就和光杆司令一样，只有一个司令，没有兵，怎么打仗，这样理解之后，你就不会让光杆司令（没有分配士兵）去打仗了，而只要有一个小兵，那么司令就能指挥了。

那么第二个假设在C语言中又是怎么回事呢？

按照C语言要求，必须先有一个蓝图（专业术语称为“声明”），然后才能创建一个新方阵出来，并且需要一个能管理方阵2的助手B：

因为在诞生助手B的时候，基因上决定了他只能管理方阵1，对使用新蓝图SquareMatrix_2_PartTypedef创建的SquareMatrix_2_Part是无法管理的，但是因为SquareMatrix_2_Part前面部分是利用方阵2的蓝图构建的，所以让他管理前面部分的倒是没有问题，这个和催眠又有点差别：

前面说了C语言，现在又不得不说一说汇编语言与编译器。那么怎么理解它们之间的关系呢？

C语言和汇编语言之间隔了一个编译器。

用通俗的话介绍就是，一个不懂鸟语的人（C程序员），要和鸟（单片机）对话，就要一个懂鸟语的人做翻译官，通过这个翻译官将人类的语言（C语言）和转化成鸟语（汇编语言），从而实现对话。

只不过，他们的交流是一次性完成的，就是说不懂鸟语的人把所有要说的话（C语言代码）一次性告诉翻译官，翻译官翻译好了之后（汇编语言代码），再告诉鸟（单片机），“你应该干啥、不该干啥”，小鸟记住了之后，就一遍遍按照要求重复执行了。

从这里可以明白，单片机存放的是汇编代码（更准确是0、1的二进制），而不是我们程序员看到的C语言代码。

另外还可以知道的一点就是，与其说我们程序员是在和单片机打交道，不如说同时在和单片机与编译器打交道，既要了解单片机（鸟）能干什么，也要清楚编译器的规则，不能让翻译官译错了你的意思，否则你说往东，他还以为你说往西呢！

看过一个故事，说Unix操作系统的创造者，总是能很快的黑进任何一个Unix系统，别人一直以为是Unix代码中留下了暗门，但查了很久也没发现，后来才知道是编译源码的编译器留下了暗门。

不管这个故事是否真实，但编译器的重要性毋庸置疑。

现在我们再简单聊聊编译器的一点好处，让我们知道为什么需要编译器。

了解汇编的人都知道，单片机的内存都是程序员分配的，而且是直接和内存地址打交道。

比如1号内存放一个同学，2号内存放另一个同学（所有内存空间都进行了编号，就是地址），找人的时候就通过这个编号找。但是数字记忆不是人类的强项，所以就给这些编号命名了一个别名，比如1号叫做张三，2号是李四，当叫2号唱歌时，只要叫李四即可。

但事实上很少有人这么干！毕竟如果只是取个别名也没方便到哪里去。

更多的时候，我们都是告诉编译器，我们需要两个空间，一个空间放张三，一个空间放李四，但具体放在哪，我不管：

编译后，从 .map 文件中（如何打开该文件可参考鱼鹰以前的笔记）可知道，编译器将这两个命名为张三和李四的空间放在了0x20000018 和 0x20000019 （注意这里没有4字节对齐）里面（事实上，每次改变代码后编译，这些空间地址可能会发生变化，不变的是这个空间名，你总是能通过这个空间名去访问一块内存，只是可能两次编译后再访问时，它所在的空间地址不一样罢了，一般来说，这没什么大不了的，毕竟每次使用这块空间前都会进行初始化）。

所以在这件事上，编译器为我们做了两件事：第一，分配内存地址；第二，命名这块空间名字（事实上还有第三件事情，规定这个空间只能放char类型数据）。

而张三、李四这个名字不仅代表了两块空间，还有一个额外的空间属性要求：只能存放char类型数据，操作这些空间时一定要注意这一点（有些错误操作可能编译器会发出提示信息，而有些操作编译器发现不了，所以需要额外注意）！

其实引入编译器的好处不止于此，这里只是简单介绍，不深入讲述。

现在我们再来从汇编语言的角度去看指针赋值与强制转化过程。

从上面可以看到，所谓的指针赋值和强制转化，在汇编代码的层面上可以说完全一样，都只是赋值操作，都是将方阵的地址赋值给寄存器R0，方阵指针的地址给寄存器R1，最后方阵的地址赋值给方阵指针所在的地址（从这可以了解到，内存和内存之间不可以直接操作，必须通过寄存器中转，这就是为什么明明只有一条C语言代码，汇编语句却有多条的原因之一了，C语言封装了很多操作细节，虽然我们可以不去深究，但必须了解它的存在）。

以第一条C语句为例，用示意图表示（只把涉及到的内存空间画出，填充颜色部分为实际内存空间，未填充部分用于说明空间地址或者寄存器，xxxxxxxx表示不必关心原来的内容是什么，红色表示操作后发生的变化）：

而操作结构体内的变量Student_12如下：

首先把0赋值给R0，把指针所在的空间地址（0x080010CC处存在一个地址）赋值给R1，再把R1存在的地址的内容赋值给R1（这时这个R1存放的就是方阵结构体的首地址），最后把R0赋值给相对R1地址偏移4的Student_12中。

示意图如下：

而直接操作结构体的方式如下（不采用指针）：

首先将0x01赋值给R0，然后将0x080010CC处的内容赋值给R1，最后把R1的内容当做地址，并将R0赋值给这个地址相对偏移0x04的地址处。

示意图如下：

从中对比两者操作可以发现，当不使用指针操作0x20000054空间时，只需要三条语句，而使用指针，因为涉及到对0x20000010内存空间的操作，多增加了一条指令，即从0x20000010（指针）处获得操作基地址0x20000050，再做最终的赋值操作，除此之外的操作指令都是类似的。

                    （通过KEIL查看结构体内的变量在内存中的地址）

从上面也可了解到，所谓的指针，只是人为的把内存里面的内容当做地址而已，因为你把存在0x20000010处的0x20000050当做了地址去操作，才存在如下关系：

你使用C语言去操作0x20000010时才会影响到0x20000050处的变量。

但是如果你不把它0x20000050当做地址，而只是当做普通数据处理也是可以的：

（事实上，当增加变量data 编译之后，SquareMatrix_1_Assistant的内容不再是0x20000050，而是变成了0x20000058，这里我们假设编译器为之前的变量分配的空间地址不变）

当然你现在又希望把这个数据当成地址，咋办？

这样一来，不仅把数据0x20000050当成了地址，还改变了可访问的数据大小，即只能访问int大小数据，结构体内的其他数据无法访问：

我们尝试对0x20000058这个地址赋值：

当你理解了上述内容，你会发现，指针，不过如此！

其实通过以上内容的讲述，我们也可以总结使用一块内存需要注意的三个要素：地址、基因（属性）、内容。

所谓地址，就是这个空间所在的地址；属性，就是规定这块内存能存放什么东西，char还是int，或者其他自定义类型等等；而内容就是内存中存放的东西，这是程序员真正需要的东西，前两者都是为其服务的。

那这个和指针有啥关系，别忘了前面所说，指针也是一块内存，只是这个内存的属性规定了两个，第一，存放指针（这个也只是普通数据，只是需要按照C语言要求处理），第二，这个指针指向的内容是char、int……数据类型而已（也可能会规定其他属性，这里不讨论），从内存空间的角度上，所谓的指针和普通的数据类型没有本质区别。

那么学习指针有什么好办法吗？鱼鹰认为，除了要深刻理解指针外，还有就是要像鱼鹰一样，画图去表示它们之间的关系（不用像前面一样画的那么清楚，画个示意图即可），只有这样，你才不会被那些指向关系搞得稀里糊涂。也只有这样，你才能在代码中灵活运行指针去做你任何想做的事情。

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这篇笔记修修改改不知道多少次，原以为能比较快就能写好的，但事实上花了好几天才写完，因为鱼鹰要尽可能的将故事贴合实际的 C语言运行情况，所以花了不少时间去思考，但真正难的还在于如何把心中所想画出相应示意图，这个是最耗费时间的。

尽管如此，指针这一块还是没有完成，道友看了前面大纲也可了解，这只是第一点内容，后面还有五点没写，以后有时间再说吧。

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（如果以下笔记没看完，建议看完）

-THE END-

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