C语言基础（二）——指针

C语言基础（二）——指针
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导图

1、指针的概念

• 取地址运算符 & ：获得变量的地址，它的操作数必须是变量。
• 输出变量 i 的地址：printf("%p", &i)。(int)&i 与取到的地址是否一致取决于编译器位数。
• 相邻的变量的地址是紧挨着的，但是由于内存模型是堆栈，地址分配是自顶而下的，后面的元素地址反而靠前。
• & 的结果的地址 sizeof 在32位下是 4，在64位下是 8。
• 数组的地址：
  • 对于数组 int a[10]，a 与 &a 都表示数组a中第一个元素的地址，即 &a[0]。
  • 每两个相邻的数组单元的地址是顺序紧邻的。
• 指针：保存地址的变量。
  • 指针的定义：int *p = &i，无论 * 号靠近 int 还是靠近 p，表示的都是 p 是指向 int 类型的指针, 变量 p 存储的地址指向变量 i 。
  • 指针变量的值是内存的地址。
  • 指针作为函数的参数时：
    • 函数原型中，指定了参数类型是 指向 int 的指针：void f(int *p)。
    • 调用时，传入的要是某个变量的地址：f(&i)。
  • 建议在指针变量定义时，赋值为所指向的变量或者指向0。
• 取内容运算符 * ：访问指针的值所表示的地址上的变量的值。
  • 如果指针 p 是指向 int 类型的，则 *p 可以被看作一个整体，这个整体是 int 类型的变量。
  • 可以通过将 *p 作为左值，更改 p 存储的地址指向的变量的值：*p = 新值。
  • 左值：出现的赋值号左边的不是变量，而是值，是表达式运算的结果。

2、指针的使用

• 指针的应用场景：

  • 需要传入较大的数据时用作参数；
  • 传入数组后对数组做操作；
  • 函数返回不止一个结果；
  • 需要用函数来修改不止一个变量；
  • 动态申请的内存。

• 指针的使用：

  • 经典的交换两个变量的值：

    void swap(int *a, int *b){
        int t = *a;
        *a = *b;
        *b = t;
    }
    

  • 函数返回多个值，某些值就只能通过指针返回。

    • 传入的参数实际上是需要保存带回的结果的变量。
    • 或者，函数返回运算的状态，结果通过指针返回。
    • C++/Java 会使用异常来处理。

  • 不能对没有设置指向的指针进行操作。

  • 如果在函数声明或指针定义时，* 只是表示所接收的变量或定义的变量是指针类型。这时 * 表示其后定义的变量是指针类型。

  • 如果在函数声明或指针定义以外，* 表示取地址运算符，构成一个整体表示指向的变量内容。

• 指针与数组：

  • 当数组作为参数传入函数时，实际上传入的是指针。

  • 以下表示在函数的参数列表中是等价的：int *a，int *，int a[]，int []。

  • 数组变量是特殊的指针，数组变量本身就表示地址。

  • 但是数组的元素表达的是变量，需要用 & 取地址。

  • * 运算符可以对指针做，也可以对数组做。

  • 数组变量是 const 的指针，所以不能被赋值。

• 指针与 const ：

  • const 表示其修饰的变量是不可改变的。

  • 如果指针是 const ：

    • 表示一旦得到了某个变量的地址，不能再指向其他变量。

    • 如：

      int * const q = &i;		//q是const
      *q = 26;			//可以做
      q++;				//不可以做
      

  • 如果指针指向的变量是 const ：

    • 表示不能通过指针去修改这个变量。

    • 如：

      const int * p = &i;		//*p是const
      *p = 26;			//不可以做
      i = 26;				//可以做
      p = &j;				//可以做
      

  • 判断哪个被 const 修饰的标志是 const 在 * 的前面还是后面，在星号前边则所指被修饰，在星号后边则指针被修饰。

  • const 数组：

    • 定义格式：const int a[]={1,2,3}。
    • 数组变量已经是 const 的指针了，这里的 const 表明数组的每个单元都是 const int。
    • 所以必须通过初始化进行赋值。
    • 因为把数组传入函数时传递的是地址，所以那个函数内部可以修改数组的值。
    • 为了保护数组不被函数破坏，可以设置参数为 const 。int f(const int a[])。

• 转换：总是可以把一个非 const 的值转换成 const 的。

  • 如：

    void f(const int* x);
    //如果传入的不是 const
    int a = 15;
    f(&a);		//在函数f内部转换成const，也就是说在函数f内部不会更改指针所指向的值
    //如果传入的是const
    const int b = a;
    f(&b);
    

  • 当要传递的参数的类型比地址大的时候，这是常用的手段：既能用比较少的字节数传递值给参数，又能避免函数对外面的变量的修改。比如传入数据结构时。

• 指针运算：

  • 对指针加一时，指针存储的地址实际上是加了 sizeof(指针指向的数据类型) 。表示的意义是将指针指向下一个元素。
  • 如：对于 数组 a，char *p = a，*p表示 a[0] 时，则 *(p+n)表示 a[n]。
  • 如果指针不是指向一片连续分配的空间如数组，则这种运算没有意义。
  • 指针相减，得到的是两个地址的差除以 sizeof(指针指向的数据类型) 。表示的意义时两个指针之间的元素个数。
  • 经典用法：*p++
    • 取出 p 所指的那个数据来，完事之后顺便把 p 移到下一个位置去。
    • * 的优先级虽然高，但是没有 ++ 高。
    • 常用于数组类的连续空间操作。
    • 在某些CPU上，这可以直接被翻译成一条汇编指令。
  • 指针的比较：
    • 大于、等于、相等，比较的是内存中的地址。
    • 数组中单元的地址是线性递增的。

• 0 地址：

  • 内存中有0地址，但是0地址通常是个不能随便碰的地址。
  • 所以指针不应该具有0值，因此可以用0地址来表示特殊的事情：
    • 返回的指针是无效的。
    • 指针没有被真正初始化（先初始化为0）。
  • NULL是一个预定义的符号，表示0地址。

• 指针的类型：

  • 无论指向什么类型，所有的指针的大小都是一样的，因为都是地址。
  • 但是指向不同类型的指针是不能直接互相赋值的，这是为了避免用错指针。

• 指针的类型转换：

  • void* 表示不知道指向什么东西的指针。
    • 计算时与 char* 相同（但不相通）。
  • 指针可以转换类型：
    • 指针的强制类型转换：int*p=&i；void*q=(void*)p。
    • 这并没有改变 p 所指的变量的类型，而是让后人用不同的眼光通过p看它所指的变量。

• 动态内存分配：

  • 导入头文件：#include <stdlib.h>。
  • 申请空间：int* a = (int*)malloc(n * sizeof(int))。
    • 用指向 int 的指针 a 指向分配到的数组。
    • n * sizeof(int) 表示存储 n 个 int 类型单元的空间。
    • (int*) 表示强制类型转换 从 void* 到 int* 。
  • 将申请到的空间返还给系统：free(a)。
    • 只能还申请来的空间的首地址。
  • 向 malloc 申请的空间的大小是以字节为单位的。
  • 返回的结果是 void*，需要类型转换为自己需要的类型。
  • 内存申请失败时会返回 null 。

参考：C语言程序设计（浙江大学）：https://www.bilibili.com/video/av15267247
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