一、内存和地址

1.1、如何理解内存和地址

  
  在讲内存和地址之前，我想给大家讲一个生活中的案例。
  
  假设我们要找好朋友，他只告诉你在哪栋楼，但那栋楼没有门牌号。这时，你想找到他，只能挨家挨户地去寻找，这样效率无疑会很低，而且其他住户也会有意见。
  
  因此为了方便查找与管理，楼栋都会给每个房间上一个门牌号，有了门牌号，就能快速定位朋友所在的房间。
  
  在生活中，我们给每个房间一个房间号，提高效率，那如果对照计算器中又会是怎样的呢？
  
  CPU（中央处理器）在处理数据的时候，需要的数据是从内存中读取的，处理后的数据也会放在内存中。我们知道，买电脑时，电脑内存有 8GB / 16GB / 32GB，那么电脑是如何管理这些内存的呢？
  
  其实计算机也是把内存分为一个个内存单元，每个内存单元大小取一个字节。每个内存单元有一个编号 (这个编号相当于房间的门牌号），有了这个内存单元的编号，CPU就可以快速访问一个内存空间。
  
  生活中，我们把门牌号叫做地址，在计算机中，我们把内存单元的编号也称为地址。
  
  C语言中给地址起了个新名字：指针
  
  我们可以这样理解：

内存单元的编号 ==  地址 == 指针

1.2、 如何理解编址

  
  CPU访问内存中的某个字节空间，必须知道这个字节空间在内存的什么位置，⽽因为内存中字节很多，所以需要给内存进⾏编址。
  
  计算机中的编址，并不是把计算机每个字节的地址记录下来，而是通过硬件设计来完成。
  
  首先，我们要知道计算机内有许多硬件单元，硬件单元的相互协作，需要不断进行数据传递。
  
  那么问题来了，硬件与硬件之间是相互独立的，那么他们是如何交流信息的呢？答案其实并不神秘：那就是用线相连。
  
  CPU与内存之间也有大量的数据交互，他两也必须用线连起来。
  
  今天，我们关心的一组线，叫地址总线。
  
  我们可以简单理解，32位机器有32根地址总线，每根线只有两种状态：0 或 1 【电脉冲的有无】。所以，一根线只有两种状态，只能表示两种含义，而 32 根线就能表示 $2^{32}$ 中含义，每一种含义都代表着一个地址。
  
  地址信息被下达给内存，在内存上，就可以找到该地址所对应的数据，而数据通过数据总线传入CPU内寄存器。

  
  

二、指针变量和地址

2.1、取地址操作符 &

  
  在C语言中，创建一个变量本质上就是向内存申请空间
  
例如：

  
  上述代码就是为 $a$ 创建了一个 4 个字节大小的内存空间，里面存放的是10（16进制表示）
  

四个地址分别是：

• 0x00AFF830
• 0x00AFF831
• 0x00AFF832
• 0x00AFF833

  
  而我们想要得到 $a$ 的地址，就需要用到取地址操作符（&）
  
  学习前面的知识，我们知道，每个字节都有一个地址，而整型变量 $a$ 一共申请了 4 个字节，那&操作符取出的地址是哪一个呢？
  

#include<stdio.h>

int main()
{
	int a = 10;//为a申请4个字节的空间
	
	&a;//取出a的地址

	printf("%p\n", &a);

	return 0;
}

  
  由于编译器每一次运行给变量分配的地址都不同，这里我就不打印了
  
  &$a$ 取出的是 $a$ 所占 4 个字节中最小的地址
  
  按上面的例子，即：0x00AFF830
  
  

2.2、 指针变量

  
  我们用取地址操作符取出变量的地址，把他放在哪呢？不存储起来以后想要使用怎么办呢？地址其实也只是一个数值而已，如地址：0x0012FF40，总不能让他无家可归吧。
  
  就像上述例子中的 10，创建了整型变量 $a$ 来存放，C语言中也提供了专门的变量类型来存放指针，那就是：指针变量
  

#include<stdio.h>

int main()
{
	int a = 10;//为a申请4个字节的空间
	int* pa = &a;//取出a的地址放在指针变量p中
	printf("%p\n", pa);
	return 0;
}

  
  上述代码中，$pa$ 就是一个指针变量，他的类型是 int*
  

我们该如何理解int*呢？

• $\ast$ 表示他是指针变量
• $int$ 表示他所存放的地址所指向的类型为 $int$ 类型

  

  
  而同理，指针变量还有其他类型：

• $long\ast$   指向 $long$ 类型
• $char\ast$   指向 $char$ 类型
• $short\ast$  指向 $short$ 类型
• $\dots$ $\dots$

  

2.3、 解引用操作符 $\ast$

  
  我们用取地址操作符（&）把变量的地址取出来有什么用呢？那自然是为了方便未来要找到他。
  
  我们只要拿到了地址（指针），就能通过地址（指针）找到他所指向的对象，而这个过程就需要用到解引用操作符（*）。
  

#include<stdio.h>

int mian()
{
	int a = 0;
	int* pa = &a;
	*pa = 100;
	return 0;
}

  

  上述代码中*pa = 100;就运用了解引用操作符，* pa 的意思是：通过pa存放的地址，找到其指向的空间，那么*pa其实就是变量 a 了；使用*pa = 100;就是把 $a$ 变成了 100.

  

2.4、指针变量的大小

  
  前面的学习中，我们了解到，32位的机器设有32根地址总线，每根线只有两种状态：即有电流通过和无电流通过，逻辑上表示 0 和 1 ，这与二进制序列的表示相符。我们把32位的地址总线产生的二进制序列看成一个地址，那么这个地址一共有32个 $bit$ 位，即 4 个字节才能存储。
  
  同理，64位的机器，存储地址需要 8 个字节的空间。
  

• 32位平台下地址是32个 $bit$ 位，指针变量大小是 4 个字节
• 64位平台下地址是64个 $bit$ 位，指针变量大小是 8 个字节

  
注意：指针变量的大小与类型无关，只要他是指针变量，他的大小就是 4 字节或 8 字节。
  
  

三、指针变量类型的意义

3.1、 指针的解引用

  
  我们得知，指针变量的大小和类型无关，那么为什么还要有各种各样的指针类型呢？
  
  C语言当然不可能无缘无故创造这么多类型，他们都是有意义的，让我们一起往下看。
  
下面，我们来看看两段代码：

#include<stdio.h>

int main()
{
	int n = 0x11223344;
	int* pi = &n;
	*pi = 0;
	return 0;
}

#include<stdio.h>

int main()
{
	int n = 0x11223344;
	char* pc = (char*)&n;
	*pc = 0;
	return 0;
}

  
  从调试我们可以看到，代码 1 会将 $n$ 的 4 个字节全部改为 0 ，而代码 2 只是将 $n$ 的第一个字节改为 0。
  

指针的类型决定了对指针解引用时，指针有多大的访问权限（一次能操作几个字节）

例如：$char$* 只能访问 1 个字节，$int$* 能访问 4 个字节
  
  

3.2、 指针 ± 整数

  
  让我们先来看一段代码，观察他们的地址变化

#include<stdio.h>

int main()
{
	int n = 10;
	char* pc = (char*)&n;
	int* pi = &n;

	printf("&n   =%p\n", &n);
	printf("pc   =%p\n", pc);
	printf("pc+1 =%p\n", pc + 1);
	printf("pi   =%p\n", pi);
	printf("pi+1 =%p\n", pi + 1);

	return 0;
}

运行结果：

  
  我们可以看到，$char$* 类型 +1 跳过了 1 个字节， $int$* 类型 +1 跳过了 4 个字节。
  
  这是因为 $char$ * 指针类型所指向的 $char$ 类型大小是 1 个字节 ，同理，$int$ * 所指向的 $int$ 类型大小是 4 个字节
  

指针的类型决定了指针向前或向后走一步有多大

  

3.3、$void$ * 指针

  
  在所有指针类型中，还有一种特殊的指针：$void$ * 指针。我们知道 $void$ 用在函数的返回类型和参数中时，表示无返回值、无参数，那么 $void$ * 指针又表示什么呢？
  
  void * 可以理解为无具体类型的指针（或者叫泛型指针），它可以接收任意类型的地址
    
  但是它也有局限性：void *类型指针不能完成上面的解引用和指针 +- 整数的运算，因为 void *类型指针不知道访问权限（一次应操作几个字节），想完成上述运算，只能先强制类型转换为其他指针类型。

  
举例：

#include<stdio,h>

int main()
{
	int a = 10;
	int* pi = &a;
	char* pc = &a;
	return 0;
}

  
  我们可以看到，将一个 $int$ 类型的变量地址赋值给一个 $char$ * 类型的指针变量。编译器给出了警告，因为类型不兼容，要想消除这个警告，除了强制类型转换成 $char$ * 类型，还可以用 $void$ *类型接收。
  
如下：

#include<stdio.h>

int main()
{
	int a = 10;
	void* pi = &a;
	void* pc = &a;

	*pi = 10;
	*pc = 0;
	return 0;
}

VS编译器运行结果：

  我们可以看到，虽然用 $void$ * 类型接收编译器并没有报警告，但是却无法解引用，编译器直接报错，那么 $void$ * 类型有什么用呢？
  
  一般 $void$ * 类型用在函数参数部分，用来接收未知类型数据的地址的，这样设计可以达到泛型编程的效果。使得一个函数可以处理多种类型的数据。

  

四、指针运算

  

指针的基本运算有三种，分别是：

• 指针 ± 整数
• 指针 - 指针
• 指针的关系运算

  

5.1、指针 ± 整数

  
  在 C语言——详解数组 一文中，我曾经提到过，数组在内存中是连续存放的。因此，对于数组来说，我们只要找到了他的首元素地址，那他剩下元素的地址也能顺藤摸瓜找到。
  

#include<stdio.h>
//指针 +- 整数
int main()
{
	int arr[9] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
	int* p = &arr[0];// 取出数组首元素的地址
	int i = 0;
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	for (i = 0; i < sz; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));// p + i  这里就是指针 + 整数
	}
	return 0;
}

  

  

• 注：用指针访问数组的前提条件：数组在内存中是连续存放的
    

指针 ± 整数公式：

• $p+n$   $->$  跳过 $n+sizeof(type)$ 个字节
    
    

例如：

int a = 10;
int* p = &a;

  
则 $p+1$ 跳过4 个字节 $（1\ast sizeof（type））$

  
  

5.2、指针 – 指针

  
  指针 – 指针是什么意思呢？我们可以类比生活中的例子：
  
  上面的例子：指针 ± 正数可以类比日期 ± 天数

  
  同理，指针 – 指针也可类比成日期 – 日期
  

  
看下面这段代码：

#include<stdio.h>

int my_strlen(char* s)
{
	char* p = s;
	while (*p != '\0')
		p++;
	return p - s;
}

int main()
{
	printf("%d\n", my_strlen("abc"));
	return 0;
}

  这里，我们模拟实现了一个简陋的 $strlen$ 函数
  
  函数来求字符串长度，代码逻辑是：传入字符串首元素的地址（指针），然后找到字符串最后一个元素的地址（指针），两个指针相减，得到的是中间的元素格式，即整个字符串的长度啦。

  
但需要注意的是：

• 指针能减指针，但指针不能＋指针，你听说法日期加日期的吗？指针也是如此。
• 可以低地址 – 高地址，只不过得到的是负数
• 指针 – 指针的前提条件一定是：两个指针指向的是同一块空间

  
例如：

#include<stdio.h>

int main()
{
	int arr[10] = { 0 };
	char ch[5] = { 0 };
	printf("%d\n", &ch[4] - &arr[6]);
	return 0;
}

  上述代码是错误的代码，因为两个指针并没有指向同一块空间。
  
  

5.3、指针关系的运算

  
  指针关系运算即地址（指针）与地址（指针）比较大小
  

请看代码：

#include<stdio.h>

int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	int* p = &arr[0];
	int i = 0;
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	while (p < arr + sz)// 指针大小比较
	{
		printf("%d ", *p);
		p++;
	}
}

  该代码中，循环条件判断中就运用了指针关系的运算，以确保对数组的访问不越界。

  
  
  

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  好啦，本期关于指针就介绍到这里啦，希望本期博客能对你有所帮助，同时，如果有错误的地方请多多指正，让我们在C语言的学习路上一起进步！