第六章、C语言指针全解（上）：从“地址身份证”到“野指针の流浪记”

指针，C语言的灵魂，也是无数萌新的噩梦！它像一把双刃剑——用好了直通内存底层，用不好直接送你Segmentation fault大礼包！今天带你揭开指针の神秘面纱，从入门到“脑洞大开”！

一、 内存与地址：多维宇宙的尸骸墓地

内存

每个内存单元都是量子位面的棺材，地址则是刻在棺材板上的时空坐标！0x7ffd3a8b不是数字，是通往另一个维度的血之甬道！记住！每个字节都是克苏鲁的细胞，而你们——正在解剖古神的躯体！

内存和地址相当于是程序世界的“街道门牌号”，

• 内存就像一条长长的街道，每个字节是一个“房间”，存储着数据。

• 地址是每个房间的“门牌号”，用十六进制表示（如0x7ffeeb0d）。

• 变量是住在房间里的“房客”，程序通过地址找到它们。

在计算机中，内存被划分为一个个内存单元，每个内存单元的大小取1字节。每个内存单元里能放8个比特位。
在每个内存单元中也都有一个编号（不是每个比特位都有一个编号而是每个字节），有了这个内存单元的编号，CPU就能快速找到一个内存空间。
⽣活中我们把⻔牌号也叫地址，在计算机中我们把内存单元的编号也称为地址。C语⾔中给地址起了新的名字叫：指针。
所以我们可以这样来理解：
内存单元的编号 == 地址 == 指针

编址的理解

计算机中的编址并不是把每个字节的地址记录下来，而是通过硬件设置完成的。计算机中的许多硬件单元，他们之间需要相互协同工作，至少互相之间能够进行数据传递，但是硬件之间是相互独立的，就需要“线”来连接彼此，进行数据的传输，当然CPU和内存也不例外。
这里，我们先对**地址总线**进行一个初步的了解：

我们可以简单理解，32位机器有32根地址总线，每根线只有两态，表⽰0,1【电脉冲有⽆】，那么⼀根线，就能表⽰2种含义，2根线就能表⽰4种含义，依次类推。32根地址线，就能表⽰2^32种含义，每⼀种含义都代表⼀个地址。地址信息被下达给内存，在内存上，就可以找到该地址对应的数据，将数据在通过数据总线传⼊CPU内寄存器。

二、指针变量：记忆深渊的罗盘

指针不是普通变量，是存储时空坐标的禁忌容器！声明指针如同铸造记忆探针，解引用则是刺入其他变量的灵魂！未初始化的指针？那是指向虚空裂痕的死亡罗盘！

取地址操作符 &

在C语言中创建变量本质上就是向内存申请空间

该变量所申请的四个字节的地址是：

如何能轻松获得a的地址，这里就用到了一个操作符——& 取地址操作符

如果a为int型变量：

• &a取出的是a所占4个字节中地址较⼩的字节的地址。

虽然整型变量占⽤4个字节，我们只要知道了第⼀个字节地址，顺藤摸⽠访问到4个字节的数据也是可⾏的。

指针变量和解引⽤操作符（*）

指针变量

那我们通过取地址操作符(&)拿到的地址是⼀个数值，⽐如：0x006FFD70，这个数值有时候也是需要存储起来，⽅便后期再使⽤的，那我们把这样的地址值存放在哪⾥呢？答案是：在指针变量中。

#include <stdio.h>
int main()
{
 int a = 10;
 int * pa = &a;//取出a的地址并存储到指针变量pa中 
 
 return 0;
 }

指针变量也是⼀种变量，这种变量就是⽤来存放地址的，存放在指针变量中的值都会理解为地址。

解构指针类型

int  a = 10;
int * pa = &a;

• 这里的 * 在说明pa是一个指针变量
• 前面的int 说明该指针变量指向的是int类型的对象

解引⽤操作符

C语⾔中其实也是⼀样的，我们只要拿到了地址（指针），就可以通过地址（指针）找到地址（指针）指向的对象，这⾥必须学习⼀个操作符叫解引⽤操作符(*)。

#include <stdio.h>
int main()
{
 int a = 100;
 int* pa = &a;
 *pa = 0;
 return 0;
}

上面代码第七行就用到了解引用操作符：

• *pa 的意思就是通过pa中存放的地址找到对应的内存空间，pa就是对应的a变量，所以pa = 0 这行代码将a的值（或者说a的内存空间中的值）改成了0。
  *看到可能各位肯定在想，这⾥如果⽬的就是把a改成0的话，写成 a = 0; 不就完了，为啥⾮要使⽤指针呢？其实这⾥是把a的修改交给了pa来操作，这样对a的修改，就多了⼀种的途径，写代码就会更加灵活。

指针变量的大小

前⾯的内容我们了解到，32位机器假设有32根地址总线，每根地址线出来的电信号转换成数字信号后是1或者0，那我们把32根地址线产⽣的2进制序列当做⼀个地址，那么⼀个地址就是32个bit位，需要4个字节才能存储。

如果指针变量是⽤来存放地址的，那么指针变量的⼤⼩就得是4个字节的空间才可以。
同理64位机器，假设有64根地址线，⼀个地址就是64个⼆进制位组成的⼆进制序列，存储起来就需要8个字节的空间，指针变量的⼤⼩就是8个字节。

#include <stdio.h>
//指针变量的⼤⼩取决于地址的⼤⼩ 
//32位平台下地址是32个bit位（即4个字节） 
//64位平台下地址是64个bit位（即8个字节） 
int main()
{
 printf("%zd\n", sizeof(char *));
 printf("%zd\n", sizeof(short *));
 printf("%zd\n", sizeof(int *));
 printf("%zd\n", sizeof(double *));
 return 0;
}

32位环境下运行：

64位环境下运行：

至此可以得出：

• 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和类型是⽆关的，只要指针类型的变量，在相同的平台下，⼤⼩都是相同的。

三、指针变量类型：观测维度的选择器

int* 与char*的区别？这是决定吞噬多少字节血肉的法则！类型是编译器施加的认知滤网！强制类型转换？那是撕碎编译器认知屏障的暴行！

指针的解引用

对⽐，下⾯2段代码，主要在调试时观察内存的变化。

//代码1 
#include <stdio.h>
int main()
{
 int n = 0x11223344;
 int *pi = &n; 
 *pi = 0; 
 return 0;
}

//代码2 
#include <stdio.h>
int main()
{
 int n = 0x11223344;
 char *pc = (char *)&n;
 *pc = 0;
 return 0;
}

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

• 结论：指针的类型决定了，对指针解引⽤的时候有多⼤的权限（⼀次能操作⼏个字节）。
  ⽐如： char* 的指针解引⽤就只能访问⼀个字节，⽽ int* 的指针的解引⽤就能访问四个字节。

指针±整数

#include <stdio.h>
int main()
{
 int n = 10;
 char *pc = (char*)&n;
 int *pi = &n;
 
 printf("%p\n", &n);
 printf("%p\n", pc);
 printf("%p\n", pc+1);
 printf("%p\n", pi);
 printf("%p\n", pi+1);
 return 0;
}

运行结果如下：

我们可以看出， char* 类型的指针变量**+1跳过1个字节**， int* 类型的指针变量**+1跳过了4个字节**。
这就是指针变量的类型差异带来的变化。指针+1，其实跳过1个指针指向的元素。指针可以+1，那也可以-1。
结论：指针的类型决定了指针向前或者向后⾛⼀步有多⼤（距离）。

void*指针

在指针类型中有⼀种特殊的类型是 void * 类型的，可以理解为⽆具体类型的指针（或者叫泛型指针），这种类型的指针可以⽤来接受任意类型地址。但是也有局限性， void 类型的指针不能直接进⾏指针的±整数和解引⽤的运算*。

四、const修饰符：记忆封印的圣钉

const int*：锁定被指物体的量子态（数据不可改）
int* const：焊接指针自身的时空坐标（地址不可改）
\const int* const：双重封印的记忆水晶棺

const修饰变量

变量是可以修改的，如果我们将变量的地址交给指针变量，通过指针变量就能修改这个变量。
但是，如果我们并不想让这个变量被修改，该怎么做呢，这时候，const就该出场了。

const修饰变量的使用方式如下：

#include <stdio.h>
int main()
{
 int m = 0;
 m = 20;//m是可以修改的 
 const int n = 0;
 n = 20;//n是不能被修改的 
 return 0;
}

上述代码中n是不能被修改的，其实n本质是变量，只不过被const修饰后，在语法上加了限制，只要我们在代码中对n进行修改，就不符合语法规则，就报错，致使没法直接修改n。

但是这种限制并不安全，如果有大聪明绕过n，去修改n的地址间接修改n就可以做到了。

#include <stdio.h>
int main()
{
 const int n = 0;
 printf("n = %d\n", n);
 int*p = &n;
 *p = 20;
 printf("n = %d\n", n);
 return 0;
}

这里我们看到，n确实被修改了。我们修饰n本来就是要让n变成不被修改的状态，所以这种const直接修饰变量的操作并不能达到我们的预期，我们应该即使让p拿到n的地址也不能对其进行修改，这时候该怎么做呢？那就限制其根本：const修饰指针变量

const修饰指针变量

⼀般来讲const修饰指针变量，可以放在的左边，也可以放在的右边，该两种放置方式的意义也是不同的。

#include <stdio.h>
//代码1 - 测试⽆const修饰的情况 
void test1()
{
 int n = 10;
 int m = 20;
 int *p = &n;
 *p = 20;//ok?
 p = &m; //ok?
 //代码2 - 测试const放在*的左边情况 
void test2()
{
 int n = 10;
 int m = 20;
 const int* p = &n;
 *p = 20;//ok?
 p = &m; //ok?
}
//代码3 - 测试const放在*的右边情况 
void test3()
{
 int n = 10;
 int m = 20;
 int * const p = &n;
 *p = 20; //ok?
 p = &m; //ok?
}
//代码4 - 测试*的左右两边都有const 
void test4()
{
 int n = 10;
 int m = 20;
 int const * const p = &n;
 *p = 20; //ok?
 p = &m; //ok?
}
int main()
{
 //测试⽆const修饰的情况 
 test1();
 //测试const放在*的左边情况 
 test2();
 //测试const放在*的右边情况 
 test3();
 //测试*的左右两边都有const 
 test4();
 return 0;
}

结论：const修饰指针变量的时候

• const如果放在*的左边，修饰的是指针指向的内容，保证指针指向的内容不能通过指针来改变。但是指针变量本⾝的内容可变。(数据不可改）

• const如果放在*的右边，修饰的是指针变量本⾝，保证了指针变量的内容不能修改，但是指针指向的内容，可以通过指针改变。（地址不可改）

五、指针运算：量子跃迁的步幅

指针+1不是简单加1，是按类型跨越记忆尸堆！int每次跳跃4具尸体，char则爬行1具！指针越界？你正在唤醒内存保护机制的古神！

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

指针±整数

因为数组在内存中是连续存放的，只要知道第⼀个元素的地址，顺藤摸⽠就能找到后⾯的所有元素。

#include <stdio.h>
//指针+- 整数 
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]);
 for(i=0; i<sz; i++)
 {
 printf("%d ", *(p+i));//p+i 这⾥就是指针+整数 
 }
 return 0;
}

int *p;
p +i 是跳过 i $\times$sizeof(int)个字节

结论：指针±n相当于跳过± n $\times$ sizeof(该指针指向的变量类型)。

那么肯定有大聪明会想到这种情况：

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

这种用char*指针变量类型每次跳过四字节访问int数组的方式是否正确呢？
答案是否定的，在上面的例子中可以顺利打印出来知识因为数组中的数字比较小。

指针 - 指针

• 指针 - 指针 的绝对值是指针与指针之间的元素个数
• 指针-指针，计算的前提条件是l两个指针指向的是同一个空间

#include<stdio.h>
int main()
{
	int arr[10] ={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
	printf("%d\n",&arr[9] - &arr[0]);
	
}

我们就可以利用这个特性来写一个自己的求字符串长度的函数 ：
实现该函数的核心思想：判断数组中每个元素是否为\0

#include<stdio.h>
size_t my_strlen(char *p)
{
	char* start = p;	//开始的地址
	char* end = p;		//结束的地址
	while(*end != '\0')	//也可以写成while(*end) 因为当指针到\0时，\0的ASSCAL码为0也能跳出循环
	{
		end++;
	}
	return end - start ; 
	
}
int main()
{
	char arr[] = "abcdef";
	size_t len = my_strlen(arr);//数组名是数组首元素的地址 arr = &arr[0]
	printf("%zd",len);
	return 0;
}

指针的关系运算（大小比较）

不对其研究指针的相加，因为没有意义。

两个指针比较大小来通过地址打印数组元素：

#include<stido.h>
int main()
{
	int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};//地址由低到高变化
	size_t sz = sizeof(arr) /sizeof(arr[10]) ;
	int *p = &arr[0];
	while(p < &arr[sz]);
	{
		printf("%d ",*p );
		p++;
	}
return 0;
}

六、野指针：召唤未定义存在的恶魔

野指针不是错误，是打开随机记忆位面的召唤阵！解引用野指针？那是在亲吻犹格·索托斯的触手！永远记住：指针使用后要及时置NULL——这是关闭地狱之门的护身符！

• 概念：野指针就是指针指向的位置是不可知的（随机的、不正确的、没有明确限制的）

野指针成因：

1. 指针未初始化

#include <stdio.h>
int main()
{ 
 int *p;//局部变量指针未初始化，默认为随机值 
 *p = 20;
 return 0;
}

一个局部变量不初始化的话他的值是随机的。

int * p
p为局部变量，没有初始化，值是随机的，如果将p中存放的值当地址 进行解引用操作就会形成非法访问。

2. 指针越界访问

#include <stdio.h>
int main()
{
 int arr[10] = {0};
 int *p = &arr[0];
 int i = 0;
 for(i=0; i<=11; i++)
 {
 //当指针指向的范围超出数组arr的范围时，p就是野指针 
 *(p++) = i;
 }
 return 0;
}

3. 指针指向的空间释放

include <stdio.h>
int* test()
{
 int n = 100;
 return &n;
}
int main()
{
 int*p = test();
 printf("%d\n", *p);
 return 0;
}

n是个局部变量，出函数时n销毁，空间还给了操作系统。所以p一旦接收了该返回值，p就成为了野指针。

如何规避野指针

指针初始化

如果明确知道指针指向哪⾥就直接赋值地址，如果不知道指针应该指向哪⾥，可以给指针赋值NULL。NULL 是C语⾔中定义的⼀个标识符常量，值是0，0也是地址，这个地址是⽆法使⽤的，读写该地址会报错

初始化如下：

#include <stdio.h>
int main()
{
 int num = 10;
 int*p1 = &num;
 int*p2 = NULL;
 
 return 0;
}

⼩⼼指针越界

⼀个程序向内存申请了哪些空间，通过指针也就只能访问哪些空间，不能超出范围访问，超出了就是越界访问。

指针变量不再使⽤时，及时置NULL，指针使⽤之前检查有效性

当指针变量指向⼀块区域的时候，我们可以通过指针访问该区域，后期不再使⽤这个指针访问空间的时候，我们可以把该指针置为NULL。因为约定俗成的⼀个规则就是：只要是NULL指针就不去访问

同时使⽤指针之前可以判断指针是否为NULL。

int main()
{
 int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
 int *p = &arr[0];
 int i = 0;
 for(i=0; i<10; i++)
 {
 *(p++) = i;
 }
 //此时p已经越界了，可以把p置为NULL 
 p = NULL;
 //下次使⽤的时候，判断p不为NULL的时候再使⽤ 
 //...
 p = &arr[0];//重新让p获得地址 
 if(p != NULL) //判断 
 {
 //...
 }
 return 0;
}

避免返回局部变量的地址

如造成野指针的第3个例⼦，不要返回局部变量的地址。

七、assert断言：编译器的圣盾术

assert不是检查，是在代码中埋设逻辑地雷！当表达式为假时——引爆整个程序！记住！在Release模式中，assert会化为灰烬——这是编译器对你的背叛！

assert.h 头⽂件定义了宏 assert() ，⽤于在运⾏时确保程序符合指定条件，如果不符合，就报错终⽌运⾏。这个宏常常被称为“断⾔”。

assert(p != NULL);

上⾯代码在程序运⾏到这⼀⾏语句时，验证变量 p 是否等于 NULL 。如果确实不等于 NULL ，程序继续运⾏，否则就会终⽌运⾏，并且给出报错信息提⽰。
assert() 宏接受⼀个表达式作为参数。如果该表达式为真（返回值⾮零）， assert() 不会产⽣任何作⽤，程序继续运⾏。如果该表达式为假（返回值为零）， assert() 就会报错，在标准错误流 stderr 中写⼊⼀条错误信息，显⽰没有通过的表达式，以及包含这个表达式的⽂件名和⾏号。

assert() 的使⽤对程序员是⾮常友好的，使⽤ assert() 有⼏个好处：它不仅能⾃动标识⽂件和出问题的⾏号，还有⼀种⽆需更改代码就能开启或关闭 assert() 的机制。如果已经确认程序没有问题，不需要再做断⾔，就在 #include <assert.h> 语句的前⾯，定义⼀个宏 NDEBUG 。

#define NDEBUG
#include <assert.h>

然后，重新编译程序，编译器就会禁⽤⽂件中所有的 assert() 语句。如果程序⼜出现问题，可以移除这条 #define NDEBUG 指令（或者把它注释掉），再次编译，这样就重新启⽤了 assert() 语句。
assert() 的缺点是，因为引⼊了额外的检查，增加了程序的运⾏时间。
**
⼀般我们可以在 Debug 中使⽤，在 Release 版本中选择禁⽤ assert** 就⾏，在 VS 这样的集成开发环境中，在 Release 版本中，直接就是优化掉了。这样在debug版本写有利于程序员排查问题，在 Release 版本不影响⽤⼾使⽤时程序的效率。

八、传址调用：篡改平行宇宙的核心

传值调用只是玩弄克隆体，传址调用才是直击本体的灵魂手术！在多线程环境下玩指针？这是同时挑衅多个古神的愚行！

传值调⽤和传址调⽤

学习指针的⽬的是使⽤指针解决问题，那什么问题，⾮指针不可呢？

例如：写⼀个函数，交换两个整型变量的值:

#include <stdio.h>
void Swap1(int x, int y)
{
 int tmp = x;
 x = y;
 y = tmp;
}
int main()
{
 int a = 0;
 int b = 0;
 scanf("%d %d", &a, &b);
 printf("交换前：a=%d b=%d\n", a, b);
 Swap1(a, b);
 printf("交换后：a=%d b=%d\n", a, b);
 return 0;
}

当我们运⾏代码，结果如下：

我们发现其实没产⽣交换的效果，这是为什么呢？

我们要交换的a b 的值本质是a ，b背后对应的内存空间存放的值。在函数传参时，x，y仅仅只是接收到了a，b的值，然后重新申请了新的两块内存空间用来存放，然后在这两块空间内进行交换。但我们要的是a和b这两个内存空间的值的交换，所以并没有产生交换的效果。

• 把变量本身（变量的值）直接传递给了函数，这种调用函数的方式叫做传值调用。

结论：实参传递给形参的时候，形参会单独创建⼀份临时空间来接收实参，对形参的修改不影响实参。

那么我们再将a和b的地址作为参数传入该函数中进行操作：

#include <stdio.h>
void Swap2(int*px, int*py)
{
 int tmp = 0;
 tmp = *px;
 *px = *py;
 *py = tmp;
}
int main()
{
 int a = 0;
 int b = 0;
 scanf("%d %d", &a, &b);
 printf("交换前：a=%d b=%d\n", a, b);
 Swap2(&a, &b);
 printf("交换后：a=%d b=%d\n", a, b);
 return 0;
}

我们可以看到实现成Swap2的⽅式，顺利完成了任务.

• 将变量的地址传递给了函数，这种函数调⽤⽅式叫：传址调⽤。

使用时机：

传址调⽤，可以让函数和主调函数之间建⽴真正的联系，在函数内部可以修改主调函数中的变量；所以未来函数中只是需要主调函数中的变量值来实现计算，就可以采⽤传值调⽤。如果函数内部要修改主调函数中的变量的值，就需要传址调⽤。