前言其實(shí)很早就想要寫一篇關(guān)于指針和數(shù)組的文章,，畢竟可以認(rèn)為這是C語言的根本所在,。相信，任意一家公司如果想要考察一個人對C語言的理解,，指針和數(shù)組絕對是必考的一部分,。 但是之前一方面之前一直在忙各種事情，一直沒有時間靜下心來寫這些東西,，畢竟這確實(shí)是一件非常耗費(fèi)時間和精力的事情,；一方面，個人對C語言的掌握和理解也還有限,，怕寫出來的東西會對大家造成誤導(dǎo),。當(dāng)然,，今天寫的這些東西也肯定存在各種問題，不嚴(yán)謹(jǐn)甚至錯誤的地方肯定有,，也希望大家來共同探討,，相互改進(jìn)。 我會慢慢的寫完這幾章,，有想法的童鞋可以和我探討,。 指針預(yù)備知識在深入理解指針之前，我認(rèn)為有必要先復(fù)習(xí)或者學(xué)習(xí)一下計算機(jī)原理的基礎(chǔ)知識,。 計算機(jī)是如何從內(nèi)存中進(jìn)行取指的,？ 計算機(jī)的總線可以分為3種：數(shù)據(jù)總線，地址總線和控制總線,。這里不對控制總線進(jìn)行描述,。數(shù)據(jù)總線用于進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳送。數(shù)據(jù)總線的位數(shù)一般與CPU的字長一致,。一般而言,，數(shù)據(jù)總線的位數(shù)跟當(dāng)前機(jī)器int值的長度相等。例如在16位機(jī)器上,，int的長度是16bit,，32位機(jī)器則是32bit。這個計算機(jī)一條指令最多能夠讀取或者存取的數(shù)據(jù)長度,。大于這個值,，計算機(jī)將進(jìn)行多次訪問。這也就是我們說的64位機(jī)器進(jìn)行64位數(shù)據(jù)運(yùn)算的效率比32位要高的原因,，因為32位機(jī)要進(jìn)行兩次取指和運(yùn)行,，而64位機(jī)卻只需要一次！ 地址總線專門用于尋址,，CPU通過該地址進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問,，然后把處于該地址處的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)行傳送，傳送的長度就是數(shù)據(jù)總線的位數(shù),。地址總線的位數(shù)決定了CPU可直接尋址的內(nèi)存空間大小,，比如CPU總線長32位，其最大的直接尋址空間長232KB,，也就是4G,。這也就是我們常說的32位CPU最大支持的內(nèi)存上限為4G（當(dāng)然，實(shí)際上支持不到這個值,，因為一部分尋址空間會被映射到外部的一些IO設(shè)備和虛擬內(nèi)存上?，F(xiàn)在通過一些新的技術(shù)，可以使32位機(jī)支持4G以上內(nèi)存，但這個不在這里的討論范圍內(nèi)）,。 一般而言,，計算機(jī)的地址總線和數(shù)據(jù)總線的寬度是一樣的，我們說32位的CPU,，數(shù)據(jù)總線和地址總線的寬度都是32位。 計算機(jī)訪問某個數(shù)據(jù)的時候,，首先要通過地址總線傳送數(shù)據(jù)存儲或者讀取的位置,，然后在通過數(shù)據(jù)總線傳送需要存儲或者讀取的數(shù)據(jù)。一般地,，int整型的位數(shù)等于數(shù)據(jù)總線的寬度,，指針的位數(shù)等于地址總線的寬度。
計算機(jī)的基本訪問單元 學(xué)過C語言的人都知道,，C語言的基本數(shù)據(jù)類型中,，就屬char的位數(shù)最小，是8位,。我們可以認(rèn)為計算機(jī)以8位,，即1個字節(jié)為基本訪問單元。小于一個字節(jié)的數(shù)據(jù),，必須通過位操作來進(jìn)行訪問,。
內(nèi)存訪問方式 如圖1所示，計算機(jī)在進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問的時候,，是以字節(jié)為基本單元進(jìn)行訪問的,，所以可以認(rèn)為，計算每次都是從第p個字節(jié)開始訪問的,。訪問的長度將由編譯器根據(jù)實(shí)際類型進(jìn)行計算,，這在后面將會進(jìn)行講述。 圖1 內(nèi)存訪問方式
想要了解更多,，就去翻閱計算機(jī)組成原理和編譯原理吧,。 sizeof關(guān)鍵字sizeof關(guān)鍵字是編譯器用來計算某些類型的數(shù)據(jù)的長度的，以字節(jié)為基本單位,。例如： sizeof(char)=1; sizeof(int)=4; sizeof(Type)的值是在編譯的時候就計算出來了的,，可以認(rèn)為這是一個常量！ 什么是指針指針其實(shí)就是數(shù)據(jù)存放的地址,，圖1中的p就是一個指針,。在圖1中，n一般是CPU的位數(shù),，32位機(jī)上,，n=32。因為指針需要能夠指向內(nèi)存中的任意一個位置，因此,，指針的長度應(yīng)該是n位的,，32位機(jī)器上指針長度就是32位。這和整型的長度是相等的,！ 在我個人的理解中,，可以將指針理解成int整型，只不過它存放的數(shù)據(jù)是內(nèi)存地址,，而不是普通數(shù)據(jù)，我們通過這個地址值進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問,，假設(shè)它的是p,，意思就是該數(shù)據(jù)存放位置為內(nèi)存的第p個字節(jié)。 當(dāng)然,，我們不能像對int類型的數(shù)據(jù)那樣進(jìn)行各種加減乘除操作,，這是編譯器不允許的，因為這樣錯是非常危險的,！ 圖2就是對指針的描述,，指針的值是數(shù)據(jù)存放地址，因此,，我們說,，指針指向數(shù)據(jù)的存放位置。 圖2 指針 指針的長度我們使用這樣的方式來定義一個指針： Type *p; 我們說p是指向type類型的指針,，type可以是任意類型,，除了可以是char,short, int, long等基本類型外，還可以是指針類型,，例如int *, int **, 或者更多級的指針,，也可是是結(jié)構(gòu)體，類或者函數(shù)等,。于是,，我們說： int * 是指向int類型的指針,； int **，也即(int *) *，是指向int *類型的指針,，也就是指向指針的指針,； int ***,，也即(int **) *,，是指向int**類型的指針，也就是指向指針的指針的指針,； …我想你應(yīng)該懂了 struct xxx *,，是指向struct xxx類型的指針,； 其實(shí)，說這么多,，只是希望大家在看到指針的時候,，不要被int ***這樣的東西嚇到，就像前面說的,，指針就是指向某種類型的指針,，我們只看最后一個*號，前面的只不過是type類型罷了,。 細(xì)心一點(diǎn)的人應(yīng)該發(fā)現(xiàn)了,，在“什么是指針”這一小節(jié)當(dāng)中，已經(jīng)表明了：指針的長度跟CPU的位數(shù)相等,，大部分的CPU是32位的，因此我們說,，指針的長度是32bit,，也就是4個字節(jié)！注意：任意指針的長度都是4個字節(jié),，不管是什么指針?。ó?dāng)然64位機(jī)自己去測一下，應(yīng)該是8個字節(jié)吧,。,。。） 于是： Type *p; sizeof(p)的值是4,，Type可以是任意類型,，char,int, long, struct, class, int **… 以后大家看到什么sizeof(char*), sizeof(int *)，sizeof(xxx *),，不要理會,，統(tǒng)統(tǒng)寫4，只要是指針,，長度就是4個字節(jié),，絕對不要被type類型迷惑！至于type是干什么用的,，這個是給編譯器用的,，用于指針運(yùn)算，這個在下面的章節(jié)中會有詳細(xì)介紹,。 取地址我們說指針指向的是數(shù)據(jù)的存放地址,，因此指針的值等于數(shù)據(jù)的存放地址。那么給指針賦值的時候就需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的取地址操作,，這個我想不用我多說,，各位也知道是&符號,，沒錯，是&符號,。 我們可以這樣取地址： Type v,*p=&v; 當(dāng)然也可以： Type v, *p;（或者Type v; Type *p） p=&v; 這里的Type依然是任意的類型,，可以是N級指針、結(jié)構(gòu)體,、類或者函數(shù)什么的,。 指針運(yùn)算N多的面試會考這種東西了： Type *p; p++; 然后問你p的值變化了多少。 其實(shí),，也可以認(rèn)為這是在考編譯器的基本知識,。因此p的值并不像表面看到的+1那么簡單，編譯器實(shí)際上對p進(jìn)行的是加sizeof(Type)的操作,。
看一個一段代碼的測試結(jié)果： [cpp] view plaincopy
（這里注釋掉char一行的原因是因為cout<<(char*)會被當(dāng)成字符串輸出,，而不是char的地址） 執(zhí)行結(jié)果： 觀察結(jié)果，可以看出,，他們的增長結(jié)果分別是： 2（sizeof(short)） 4（sizeof(int)） 4（sizeof(long)） 8（sizeof(long long)） 4（sizeof(float)） 8（sizeof(double)） 12（sizeof(long double)） 喏,，增加的值是不是sizeof(Type)呢？別的什么struct,，class之類的,，就不驗證你，有興趣的自己去驗證,。
我們再對這樣的一段代碼進(jìn)行匯編,，查看編譯器是如何進(jìn)行指針的加法操作的： [cpp] view plaincopy
匯編結(jié)果： [cpp] view plaincopy
注意看注釋部分的結(jié)果，我們看到,，piv的值顯示加了4（sizeof(int)）,，然后又加了16（4*sizeof(int)）。 總結(jié)一點(diǎn)： 指針的實(shí)際運(yùn)算,，將會由編譯器在編譯的時候,，根據(jù)指針指向數(shù)據(jù)類型的大小進(jìn)行實(shí)際的翻譯轉(zhuǎn)換。指針類型的作用就在于此,，讓編譯器能夠正確的翻譯這些指令的操作,，另一方面，也讓編譯器檢查程序員對指針的操作是否合法,，保證程序的正確性和健壯性,。 Type *p; p=p+i; 最終p的值實(shí)際上是(value of p) + i*sizeof(Type)； Type *p; p=p-i; 最終p的值實(shí)際上是(value of p) - i*sizeof(Type),； 注意：指針只能進(jìn)行加法和減法操作,，不能進(jìn)行乘除法！（指針畢竟不是普通的整數(shù),，乘除法的跨度太大了,，出發(fā)還會搞出小數(shù)點(diǎn)神馬的,，這是我個人的理解。但是編譯器不允許進(jìn)行指針的乘除法,。） NULL指針NULL是C語言標(biāo)準(zhǔn)定義的一個值,，這個值其實(shí)就是0，只不過為了使得看起來更加具有意義,，才定義了這樣的一個宏,，中文的意思是空，表明不指向任何東西,。你懂得,。不過這里不討論空和零的區(qū)別，呵呵,。 在C語言中,，NULL其實(shí)就是0，就像前面說的指針可以理解成特殊的int,，它總是有值的,，p=NULL，其實(shí)就是p的值等于0,。對于不多數(shù)機(jī)器而言，0地址是不能直接訪問的,，設(shè)置為0,，就表示該指針哪里都沒指向。 當(dāng)然,，就機(jī)器內(nèi)部而言,，NULL指針的實(shí)際值可能與此不同，這種情況下,，編譯器將負(fù)責(zé)零值和內(nèi)部值之間的翻譯轉(zhuǎn)換,。 NULL指針的概念非常有用，它給了你一種方法,，表示某個特定的指針目前并未指向任何東西,。例如，一個用于在某個數(shù)組中查找某個特定值的函數(shù)可能返回一個指向查找到的數(shù)組元素的指針,。如果沒找到,，則返回一個NULL指針。 在內(nèi)存的動態(tài)分配上,，NULL的意義非同凡響,，我們使用它來避免內(nèi)存被多次釋放，造成經(jīng)常性的段錯誤（segmentation fault）,。一般,，在free或者delete掉動態(tài)分配的內(nèi)存后,，都應(yīng)該立即把指針置空，避免出現(xiàn)所以的懸掛指針,，致使出現(xiàn)各種內(nèi)存錯誤,！例如： [cpp] view plaincopy
free函數(shù)是不會也不可能把p置空的。像下面這樣的代碼就會出現(xiàn)內(nèi)存段錯誤： [cpp] view plaincopy
因為,，第一次free操作之后,，p指向的內(nèi)存已經(jīng)釋放了，但是p的值還沒有變化,，free函數(shù)改不了這個值,，再free一次的時候，p指向的內(nèi)存區(qū)域已經(jīng)被釋放了,，這個地址已經(jīng)變成了非法地址,，這個操作將導(dǎo)致段錯誤的發(fā)生（此時，p指向的區(qū)域剛好又被分配出去了,，但是這種概率非常低,，而且對這樣一塊內(nèi)存區(qū)域進(jìn)行操作是非常危險的！） 但是下面這段代碼就不會出現(xiàn)這樣的問題： [cpp] view plaincopy
因為p的值編程了NULL,，free函數(shù)檢測到p為NULL,，會直接返回，而不會發(fā)生錯誤,。 這里順便告訴大家一個內(nèi)存釋放的小竅門,，可以有效的避免因為忘記對指針進(jìn)行置空而出現(xiàn)各種內(nèi)存問題。這個方法就是自定義一個內(nèi)存釋放函數(shù),，但是傳入的參數(shù)不知指針,，而是指針的地址，在這個函數(shù)里面置空,，如下： [cpp] view plaincopy
結(jié)果： my_free調(diào)用了之后,，p的值就變成了0（NULL），調(diào)用多少次free都不會報錯了,！ 另外一個方式也非常有效,，那就是定義FREE宏，在宏里面對他進(jìn)行置空,。例如 [cpp] view plaincopy
執(zhí)行結(jié)果同上面一樣,，不會報段錯誤： （關(guān)于內(nèi)存的動態(tài)分配，這是個比較復(fù)雜的話題,，有機(jī)會再專門開辟一章給各位講述一下吧,，寫個帖子還是很花費(fèi)時間和精力的，呵呵,，寫過的童鞋應(yīng)該都很清楚,，所以順便插一句,，轉(zhuǎn)帖可以，請注明出處,，畢竟,，大家都是本著共享的精神來討論問題的，寫的好壞都沒有向你所要什么,，請尊重每個人的勞動成果,。） void指針雖然從字面上看，void的意思是空,，但是void指針的意思,，可不是空指針的意思，空指針指的是上面所說的NULL指針,。 void指針實(shí)際上的意思是指向任意類型的指針,。任意類型的指針都可以直接賦給void指針，而不需要進(jìn)行強(qiáng)制轉(zhuǎn)換,。 例如： Type a, *p=&a;（Type等于char, int, struct, int *…） void *pv; pv=p; 就像前面說的,，void指針的好處，就在于,，任意的指針都可以直接賦值給它,，這在某些場合非常有用，因此有些操作對于任意指針都是相同的,。void指針最常用于內(nèi)存管理,。最典型的，也是大家最熟知的,，就是標(biāo)準(zhǔn)庫的free函數(shù)。它的原型如下： void free(void*ptr); free函數(shù)的參數(shù)可以是任意指針,，沒有誰見過free參數(shù)里面的指針需要強(qiáng)壯為void*的吧,？
malloc, calloc,realloc這些函數(shù)的返回值也是void指針，因為內(nèi)存分配,，實(shí)際上只需要知道分配的大小,，然后返回新分配內(nèi)存的地址就可以了，指針的值就是地址,，返回的不管是何種指針,，其實(shí)結(jié)果都是一樣的，因為所有的指針長度其實(shí)都是32位的（32位機(jī)器）,，它的值就是內(nèi)存的地址,，指針類型只是給編譯器看的，目的是讓編譯器在編譯的時候能夠正確的設(shè)置指針的值（參見指針運(yùn)算章節(jié)）,。如果malloc函數(shù)設(shè)置成下面這樣的原型,，完全沒有問題,。 char*malloc(size_t sz); 實(shí)際上設(shè)置成 Type*malloc(size_t sz); 也是完全正確的，使用void指針的原因,，實(shí)際上就像前面說的,，void指針意思是任意指針，這樣設(shè)計更加嚴(yán)謹(jǐn)一些,，也更符合我們的直觀理解,。如果對前面我說的指針概念理解的童鞋，肯定明白這一點(diǎn),。 未初始化和非法指針經(jīng)常有面試,，會考這樣的代碼校錯： int *a; … *a=12; 這段代碼，在*a=12這里出了問題,。這里的問題就在于,，a究竟指向哪里？我們聲明了這個變量,，但是從未對它進(jìn)行初始化,，一般而言，沒有初始化,，a的值是任意的,，隨機(jī)的。如果a是全局變量或者static類型,，它會被初始化為0（前面說過,，其實(shí)指針可以理解成值是內(nèi)存地址的int），但是不管哪種方式,，這種方式的賦值都是非常危險的,，如果你有著中體彩頭號彩票的運(yùn)氣，a的值剛好等于某個變量或者分配內(nèi)存的地址,，那么這里的運(yùn)行不會報錯,，但這時候的運(yùn)氣卻不是什么好運(yùn)，相反,，是非常倒霉,！因為這是對一塊不屬于你的內(nèi)存進(jìn)行操作，這實(shí)在是太危險了,！如果a的初始值是個非法地址,，這個賦值語句在執(zhí)行的時候?qū)箦e，從而終止程序嗎,，這個錯誤同樣是段錯誤（segmentation fault）,，如果是這樣，你是幸運(yùn)的，因為你發(fā)現(xiàn)了它,，這樣就可以修正它,。 關(guān)于這種問題，編譯器可能會,，也可能不會對它進(jìn)行檢測,。GNU的編譯器是會進(jìn)行檢測的，會對未初始化的指針或變量輸出警告信息,。 多級指針（也叫指針的指針）其實(shí)如果對前面的指針概念完全理解了,，這里都可以略過。指針的指針,，無非就是指針指向的數(shù)據(jù)類型是指針罷了,。 Type *p; 其中Type類型是指針，比如可以是int*,，也可以是int **,這樣p對應(yīng)的就是二級指針和三級指針,。一級指針的值存放的是數(shù)據(jù)的地址，二級指針的值存放的一級指針的地址,，三級指針的值存放的是二級指針的地址,，依此類推… 函數(shù)指針跟普通的變量一樣，每一個函數(shù)都是有其地址的,，我們通過跳轉(zhuǎn)到這個地址執(zhí)行代碼來進(jìn)行函數(shù)調(diào)用,，只是，跟取普通數(shù)據(jù)不同的在于,，函數(shù)有參數(shù)和返回值,，在進(jìn)行函數(shù)調(diào)用的時候，首先需要將參數(shù)壓入棧中,，調(diào)用完成后又需要將參數(shù)壓入棧中,。既然函數(shù)也是通過地址來進(jìn)行訪問的，那它也可以使用指針來指向,，事實(shí)上,，每一個函數(shù)名都是一個指針，不過它是指針常量和指針常量,，它的值是不能改的，指向的值也不能改,。 （關(guān)于常量指針和指針常量什么的,，有時間在專門開辟一章來說明const這個東東吧，也是很有講頭的一個東東,。,。。）
函數(shù)指針一般用來干什么呢,？函數(shù)指針最常用的場合就是回調(diào)函數(shù),。回調(diào)函數(shù),，顧名思義，就是某個函數(shù)會在適當(dāng)?shù)臅r候被別人調(diào)用,。當(dāng)期望你調(diào)用的函數(shù)能夠使用你的某些方式去操作的時候,，回調(diào)函數(shù)就很有用，比如,，你期望某個排序函數(shù)在比較的時候,，能夠使用你定義的比較方法去比較。 有過較深入的C編程經(jīng)驗的人應(yīng)該都接觸過,。C的標(biāo)準(zhǔn)庫中就有使用,，例如在strlib.h頭文件的qsort函數(shù)，它的原型為： void qsort(void*__base, size_t __nmemb, size_t __size, int(*_compar)(const void *, const void*)); 其中int(*_compar)(const void *, const void *)就是回調(diào)函數(shù),，這個函數(shù)用于qsort函數(shù)用于數(shù)據(jù)的比較,。下面，我會舉一個例子,，來描述qsort函數(shù)的工作原理,。 一般，我們使用下面這樣的方式來定義函數(shù)指針： typedef int(*compare)(const void *x, const void *y); 這個時候,，compare就是參數(shù)為const void *, const void *類型,，返回值是int類型的函數(shù)。例如： [cpp] view plaincopy
用typedef來定義的好處,，就是可以使用一個簡短的名稱來表示一種類型,，而不需要總是使用很長的代碼來，這樣不僅使得代碼更加簡潔易讀,，更是避免了代碼敲寫容易出錯的問題,。強(qiáng)烈推薦各位在定義結(jié)構(gòu)體，指針（尤其是函數(shù)指針）等比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)時,，使用typedef來定義,。 后序關(guān)于指針與數(shù)組的部分將在后續(xù)介紹，多級指針在數(shù)組中的應(yīng)用也會更加深入的介紹,。 |
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