深入理解C语言指针

快来打我* 2023-08-17 16:18 283阅读 0赞

一、指针的概念

要知道指针的概念，要先了解变量在内存中如何存储的。在存储时，内存被分为一块一块的。每一块都有一个特有的编号。而这个编号可以暂时理解为指针，就像酒店的门牌号一样。

1.1、变量和地址

先写一段简单的代码：

  1. void main(){
  2.     int x = 10, int y = 20;
  3. }

这段代码非常简单，就是两个变量的声明，分别赋值了 10、20。我们把内存当做一个酒店，而每个房间就是一块内存。那么“int x = 10;”和“int y = 20;”的实际含义如下：

  1. 去酒店订了两个房间，门牌号暂时用 px、py 表示
  2. 让 10 住进 px，让 20 住进 py
  3. 其中门牌号就是 px、py 就是变量的地址
  4. x 和 y 在这里可以理解为具体的房间，房间 x 的门牌号（地址）是 px，房间 y 的门牌号（地址）是 py。而 10 和 20，通过 px、py 两个门牌，找到房间，住进 x、y。用户（变量的值）和房间（变量）以及房间号（指针、地址）的关系

1.2、指针变量和指针的类型

指针变量就是一个变量，它存储的内容是一个指针。如果用前面的例子，可以理解为指针变量就是一张房卡，房卡存储了房间号的信息。

在我们定义一个变量的时候，要确定它的类型。int x、char ch、float、、、在定义指针变量时也是一样的，必须确定指针类型。int 变量的指针需要用 int 类型的指针存储，float 变量的指针需要用 float 类型的指针存储。就像你只能用酒店 A 的房卡存储酒店 A 中房间号的信息一样。

二、变量的指针与指针变量

变量的指针就是变量的存储地址，指针变量就是存储指针的变量。

2.1、指针变量的定义及使用

（1）指针变量的定义

指针变量的定义形式如：数据类型 *指针名;例如：

  1. //分别定义了 int、float、char 类型的指针变量
  2. int *x;
  3. float *f;
  4. char *ch;

如上面的定义，指针变量名为 x、f、ch。并不是*x、*f、*ch

（2）指针变量的使用

  • 取地址运算符&：单目运算符&是用来取操作对象的地址。例：&i 为取变量 i 的地址。对于常量表达式、寄存器变量不能取地址（因为它们存储在存储器中，没有地址）。
  • 指针运算符*（间接寻址符）：与&为逆运算，作用是通过操作对象的地址，获取存储的内容。例：x = &i，x 为 i 的地址，*x 则为通过 i 的地址，获取 i 的内容。

代码示例：

  1. //声明了一个普通变量 a
  2. int a;
  3. //声明一个指针变量，指向变量 a 的地址
  4. int *pa;
  5. //通过取地址符&，获取 a 的地址，赋值给指针变量
  6. pa = &a;
  7. //通过间接寻址符，获取指针指向的内容
  8. printf("%d", *pa);

（3）“&”和“*”的结合方向

“&”和“*”都是右结合的。假设有变量 x = 10，则*&x 的含义是，先获取变量 x 的地址，再获取地址中的内容。因为“&”和“*”互为逆运算，所以 x = *&x。

接下来做个小练习，输入 x、y 两个整数，然后将其中的值大的赋值给 x，小的赋值给 y。即：假设输入 x = 8，y = 9。就将 9 赋值给 x，8 赋值给 y。

  1. void main(){
  2.     //声明两个普通变量
  3.     int x, y;
  4.     //声明两个指针变量
  5.     int *px, *py;
  6.     //声明一个临时变量，用于交换
  7.     int t;
  8.     //输入两个值，赋值给 x、y
  9.     scanf("%d", &x);
  10.     scanf("%d", &y);
  11.     //给指针变量 px、py 赋初值（关联变量 x、y）
  12.     px = &x;
  13.     py = &y;
  14.     //利用指针来对比 x、y 的值，如果 x 的值比 y 的值小，就交换
  15.     if(*px < *py){
  16.         //交换步骤，其中*px == x、*py == y
  17.         t = *px;
  18.         *px = *py;
  19.         *py = t;
  20.     }
  21.     printf("x =  %d, y = %d", *px, *py);
  22. }
  24. 输入：23 45
  25. 输出结果为：x = 45, y = 23

2.2、指针变量的初始化

指针变量与其它变量一样，在定义时可以赋值，即初始化。也可以赋值“NULL”或“0”，如果赋值“0”，此时的“0”含义并不是数字“0”，而是 NULL 的字符码值。

  1. //利用取地址获取 x 的地址，在指针变量 px 定义时，赋值给 px
  2. int x;
  3. int *px = &x;
  4. //定义指针变量，分别赋值“NULL”和“0”
  5. int *p1= NULL, *p2 = 0;

2.3、指针运算

（1）赋值运算

指针变量可以互相赋值，也可以赋值某个变量的地址，或者赋值一个具体的地址

  1. int *px, *py, *pz, x = 10;
  2. //赋予某个变量的地址
  3. px = &x;
  4. //相互赋值
  5. py = px;
  6. //赋值具体的地址
  7. pz = 4000;

（2）指针与整数的加减运算

  1. 指针变量的自增自减运算。指针加 1 或减 1 运算，表示指针向前或向后移动一个单元（不同类型的指针，单元长度不同）。这个在数组中非常常用。

  2. 指针变量加上或减去一个整形数。和第一条类似，具体加几就是向前移动几个单元，减几就是向后移动几个单元。

    //定义三个变量，假设它们地址为连续的，分别为 4000、4004、4008
    int x, y, z;

    //定义一个指针，指向 x
    int *px = &x;

    //利用指针变量 px 加减整数，分别输出 x、y、z
    printf(“x = %d”, px); //因为 px 指向 x，所以px = x

    //px + 1，表示，向前移动一个单元（从 4000 到 4004）
    //这里要先(px + 1)，再(px + 1)获取内容，因为单目运算符“”优先级高于双目运算符“+”
    printf(“y = %d”, (px + 1));
    printf(“z = %d”,     (px + 2));

（3）关系运算

假设有指针变量 px、py。

  1. px > py 表示 px 指向的存储地址是否大于 py 指向的地址
  2. px == py 表示 px 和 py 是否指向同一个存储单元

  3. px == 0 和 px != 0 表示 px 是否为空指针

    //定义一个数组，数组中相邻元素地址间隔一个单元
    int num[2] = {1, 3};

    //将数组中第一个元素地址和第二个元素的地址赋值给 px、py
    int px = &num[0], py = &num[1];
    int pz = &num[0];
    int     pn;

    //则 py > px
    if(py > px){

    1. printf("py 指向的存储地址大于 px 所指向的存储地址");

    }

    //pz 和 px 都指向 num[0]
    if(pz == px){

    1. printf("px 和 pz 指向同一个地址");

    }

    //pn 没有初始化
    if(pn == NULL || pn == 0){

    1. printf("pn 是一个空指针");

    }

三、指针与数组

之前我们可以通过下标访问数组元素，学习了指针之后，我们可以通过指针访问数组的元素。在数组中，数组名即为该数组的首地址，结合上面指针和整数的加减，我们就可以实现指针访问数组元素。

3.1、指向数组的指针

如以下语句：

  1. int nums[10], *p;

上面语句定义了一个数组 nums，在定义时分配了 10 个连续的int 内存空间。而一个数组的首地址即为数组名nums，或者第一个元素的首地址也是数组的首地址。那么有两种方式让指针变量 p 指向数组 nums：

  1. //数组名即为数组的首地址
  2. p = nums;
  3. //数组第一个元素的地址也是数组的首地址
  4. p = &nums[0];

上面两句是等价的。format_png 1
如下几个操作，用指针操作数组：

  1. *p = 1，此操作为赋值操作，即将指针指向的存储空间赋值为 1。此时 p 指向数组 nums 的第一个元素，则此操作将 nums 第一个元素赋值为 0，即 nums[0] = 1。
  2. p + 1，此操作为指针加整数操作，即向前移动一个单元。此时 p + 1 指向 nums[0]的下一个元素，即 nums[1]。通过p + 整数可以移动到想要操作的元素（此整数可以为负数）。
  3. 如上面，p（p + 0）指向 nums[0]、p + 1 指向 nums[1]、、、类推可得，p+i 指向 nums[i]，由此可以准确操作指定位置的元素。
  4. 在 p + 整数的操作要考虑边界的问题，如一个数组长度为 2，p+3 的意义对于数组操作来说没有意义。

下面写一段代码，用指针访问数组的元素：

  1. //定义一个整形数组，并初始化
  2. int nums[5] = {4, 5, 3, 2, 7};
  4. //定义一个指针变量 p，将数组 nums 的首地址赋值给 p，也可以用p = &nums[0]赋值
  5. int *p = nums, i;            //i 作为循环变量
  7. //p 指向数组第一个元素（数组首地址），我们可以直接用间接寻址符，获取第一个元素的内容
  8. printf("nums[0] = %d\n", *p);            //输出结果为 nums[0] = 4
  10. //我们可以通过“p + 整数”来移动指针，要先移动地址，所以 p + 1 要扩起来
  11. printf("nums[1] = %d\n", *(p + 1));        //输出结果为 nums[1] = 5
  13. //由上面推导出*(p + i) = nums[i]，所以我们可以通过 for 循环变量元素
  14. for(i = 0; i < 5; i++){
  15.     printf("nums[%d] = %d", i, *(p + i));
  16. }

注：数组名不等价于指针变量，指针变量可以进行 p++和&操作，而这些操作对于数组名是非法的。数组名在编译时是确定的，在程序运行期间算一个常量。

3.2、字符指针与字符数组

在 C 语言中本身没有提供字符串数据类型，但是可以通过字符数组和字符指针的方式存储字符串。

（1）字符数组方式

这个在前面应该学习过，这里就不赘述了。

  1. char word[] = "zack";
  2. printf("%s", word);

（2）字符指针方式

指针方式操作字符串和数组操作字符串类似，可以把定义的指针看做是字符数组的数组名。在内存中存储大致如下，这里为了方便换了个字符串：在这里插入图片描述

  1. //除了定义一个字符数组外，还可以直接定义一个字符指针存储字符串
  2. char *sentence = "Do not go gentle into that good night!";
  4. //此时可以做字符串的操作
  5. //输出
  6. printf("%s", sentence);
  8. //通过下标取字符
  9. printf("%c", sentence[0]);
  11. //获取字符串长度，其中 strlen 是 string.h 库中的方法
  12. printf("%d", strlen(sentence));

注：字符指针方式区别于字符数组方式，字符数组不能通过数组名自增操作，但是字符指针是指针，可以自增操作。自增自减少会实现什么效果大家可以自己尝试运行一下

下面做个小练习，利用字符指针将字符数组 sentence 中的内容复制到字符数组 word 中：

  1. //定义字符数组 sentence 和 word，给 sentence 赋初值
  2. char sentence[] = "Do not go gentle into that good night!", word[100];
  4. //定义字符指针，指向 word
  5. char *ch = word;
  6. int i;
  8. //循环赋值
  9. for(i = 0; sentence[i] != '\0'; i++){
  10.     *(ch + i) = sentence[i];
  11. }
  13. //在当 i 等于 sentence 的长度（sentence 的长度不包含'\0'）时，
  14. //i 继续自增，此时判断 sentence[0] != '\0'不符合，跳出循环，则 i 比 sentence 长度大 1
  15. *(ch + i) = '\0';
  17. //输出字符串，因为 ch 指向 word，所以输出结果是一样的
  18. printf("ch = %s, word = %s", ch, word);

注：指针变量必须初始化一个有效值才能使用

3.3、多级指针及指针数组

（1）多级指针

指针变量作为一个变量也有自己的存储地址，而指向指针变量的存储地址就被称为指针的指针，即二级指针。依次叠加，就形成了多级指针。我们先看看二级指针，它们关系如下：指针变量 p 指向变量 x，二级指针变量指向指针变量 p
其中 p 为一级指针，pp 为二级指针。二级指针定义形式如下：

  1. 数据类型 **二级指针名;

和指针变量的定义类似，由于*是右结合的，所以*pp 相当于*(*p)。在本次定义中，二级指针的变量名为 pp，而不是**p。多级指针的定义就是定义时使用多个“*”号。下面用一个小程序给大家举例：

  1. //定义普通变量和指针变量
  2. int *pi, i = 10;
  3. //定义二级指针变量
  4. int **ppi;
  6. //给指针变量赋初值
  7. pi = &i;
  9. //给二级指针变量赋初值
  10. ppi = π
  12. //我们可以直接用二级指针做普通指针的操作
  13. //获取 i 的内容
  14. printf("i = %d", **ppi);
  15. //获取 i 的地址
  16. printf("i 的地址为%d", *ppi);

注：在初始化二级指针 ppi 时，不能直接 ppi = &&i，因为&i 获取的是一个具体的数值，而具体数字是没有指针的。

（2）指针数组

指针变量和普通变量一样，也能组成数组，指针数组的具体定义如下：

  1. 数据类型 *数组名[指针数组长度];

下面举一个简单的例子熟悉指针数组：

  1. //定义一个数组
  2. int nums[5] = {2, 3, 4, 5, 2}, i;
  4. //定义一个指针数组
  5. int *p[5];
  7. //定义一个二级指针
  8. int **pp;
  10. //循环给指针数组赋值
  11. for(i = 0; i < 5; i++){
  12.     p[i] = &nums[i];
  13. }
  15. //将指针数组的首地址赋值给 pp，数组 p 的数组名作为 p 的首地址，也作为 p 中第一个元素的地址。
  16. //数组存放的内容为普通变量，则数组名为变量的指针；数组存放的内容为指针，则数组名为指针的指针。
  17. pp = p;
  19. //利用二级指针 pp 输出数组元素
  20. for(i = 0; i < 5; i++){
  21.     //pp == &p[0] == &&nums[0]，nums[0] == *p[0] == **pp
  22.     printf("%d", **pp);
  24.     //指针变量+整数的操作，即移动指针至下一个单元
  25.     pp++;
  26. }

3.4、指针与多维数组

讲多维数组是个麻烦的事，因为多维数组和二维数组没有本质的区别，但是复杂度倒是高了许多。这里我主要还是用二维数组来举例，但是还是会给大家分析多维数组和指针的关系。

（1）多维数组的地址

先用一个简单的数组来举例：

  1. int nums[2][2] = {
  2.     {1, 2},
  3.     {2, 3}
  4. };

我们可以从两个维度来分析：

  1. 先是第一个维度，将数组当成一种数据类型 x，那么二维数组就可以当成一个元素为 x 的一维数组。
  2. 如上面的例子，将数组看成数据类型 x，那么 nums 就有两个元素。nums[0]和 nums[1]。
  3. 我们取 nums[0]分析。将 nums[0]看做一个整体，作为一个名称可以用 x1 替换。则 x1[0]就是 nums[0][0]，其值为 1。
    在这里插入图片描述

我们知道数组名即为数组首地址，上面的二维数组有两个维度。首先我们把按照上面 1 来理解，那么 nums 就是一个数组，则nums 就作为这个数组的首地址。第二个维度还是取 nums[0]，我们把 nums[0]作为一个名称，其中有两个元素。我们可以尝试以下语句：

  1. printf("%d", nums[0]);

此语句的输出结果为一个指针，在实验过后，发现就是 nums[0][0]的地址。即数组第一个元素的地址。

如果再多一个维度，我们可以把二维数组看做一种数据类型 y，而三维数组就是一个变量为 y 的一维数组。而数组的地址我们要先确定是在哪个维度，再将数组某些维度看成一个整体，作为名称，此名称就是该维度的地址（这里有些绕）。

例：

  1. //假设已初始化，二维数组数据类型设为 x，一维数组数据类型设为 y
  2. int nums[2][2][2];
  4. //此数组首地址为该数组名称
  5. printf("此数组首地址为%d", nums);
  7. //此数组可以看做存储了两个 x 类型元素的一维数组，则 nums[0] = x1 的地址为
  8. printf("第二个维度的首地址为%d", nums[0]);
  10. //而 x1 可以看做存储了两个 y 类型元素的一维数组，则 y1 = x1[0] = nums[0][0]
  11. printf("第三个维度的首地址为%d", nums[0][0]);

三维数组实际存储形式如下：
在这里插入图片描述
实际存储内容的为最内层维度，且为连续的。对于 a 来说，其个跨度为 4 个单元；对 a[0]来说，其跨度为 2 个单元；对 a[0][0]来说，跨度为一个单元。有上面还可以得出：

  1. a == a[0] == a[0][0] == &a[0][0][0];

上面的等式只是数值上相等，性质不同。

（2）多维数组的指针

在学习指针与数组的时候，我们可以如下表示一个数组：

  1. int nums[5] = {2, 4, 5, 6, 7};
  2. int *p = nums;

在前面讲指针数组时，所有指针数组元素都指向一个数字，那么我们现在可以尝试用指针数组的每个元素指向一个数组：

  1. //定义一个二维数组
  2. int nums[2][2] = {
  3.     {1, 2},
  4.     {2, 3}
  5. };
  7. //此时 nums[0]、和 nums[1]各为一个数组
  8. int *p[2] = {nums[0], nums[1]};
  10. //我们可以用指针数组 p 操作一个二维数组
  12. //p 为数组 p 的首地址，p[0] = nums[0] = *p，**p = nums[0][0]
  13. printf("nums[0][0] = %d", **p);
  15. //指针 + 整数形式，p+1 移动到 nums 的地址，*(p +1) = nums[1]，则**(p + 1) = nums[1][0]
  16. printf("nums[1][0] = %d", **(p + 1));
  18. //先*p = nums[0]，再*p + 1 = &nums[0][1]，最后获取内容*(*p + 1)即为 nums[0][1]
  19. printf("nums[0][1] = %d", *(*p + 1));

这里可能不能理解为什么*p + 1 = &nums[0][1]，而不是 nums[1]。*p 获得的是一个一维数组，而 int 数组 + 1 的跨度只有 4 个字节，也就是一个单元。前面 p 是一维数组的指针，其跨度为一个数组。所以*p + 1 = &nums[0][1]，而 p + 1 = nums[1]。

四、指针与函数

前面学习函数学到，函数参数可以为 int、char、float 等，但是在操作时，这些参数只作为形参，所有操作都只在函数体内有效（除对指针的操作外），那么今天来学习一下指针作为函数参数。

4.1、函数参数为指针

我们直接做一个练习，定义一个函数，用来交换两个变量的内容。

  1. void swap(int *x, int *y);
  2. void main(){
  3.     int x = 20, y = 10;
  4.     swap(&x, &y);
  5.     printf("x = %d, y = %d", x ,y);
  6. }
  7. void swap(int *x, int *y){
  8.     int t;
  9.     t = *x;
  10.     *x = *y;
  11.     *y = t;
  12. }

代码非常简单，我也就不细讲了。这里传入的参数为指针，所以调用 swap 方法后 x，y 的内容发生了交换。如果直接传入 x，y，那么交换只在 swap 中有效，在 main 中并没有交换。

4.2、函数的返回值为指针

返回值为指针的函数声明如下：

  1. 数据类型 *函数名(参数列表){
  2.     函数体
  3. }
  4. //例如：
  5. int s;
  6. int *sum(int x, int y){
  7.     s = x + y;
  8.     return &s;
  9. }

在函数调用前要声明需要对函数声明（有点编译器不需要）

  1. int s;
  2. void mian(){
  3.     int *r = sum(10, 9);
  4.     printf("10 + 9 + %d", *r);
  5. }
  6. int *sum(int x, int y){
  7.     s = x + y;
  8.     return &s;
  9. }

除了上面的操作，更实用的是返回一个指向数组的指针，这样就实现了返回值为数组。

4.3、指向函数的指针

C 语言中，函数不能嵌套定义，也不能将函数作为参数传递。但是函数有个特性，即函数名为该函数的入口地址。我们可以定义一个指针指向该地址，将指针作为参数传递。

函数指针定义如下：

  1. 数据类型 (*函数指针名)();

函数指针在进行“*”操作时，可以理解为执行该函数。函数指针不同与数据指针，不能进行+整数操作。

下面举个例子，来使用函数指针：

  1. #include <string.h>
  2. /**
  3. *    定义一个方法，传入两个字符串和一个函数指针 p，用 p 对两个字符串进行操作
  4. */
  5. void check(char *x, char *y, int (*p)());
  6. void main(){
  7.     //string.h 库中的函数，使用之前需要声明该函数。字符串比较函数
  8.     int strcmp();
  9.     char x[] = "Zack";
  10.     char y[] = "Rudy";
  12.     //定义一个函数指针
  13.     int (*p)() = strcmp;
  15.     check(x, y, p);
  16. }
  17. void check(char *x, char *y, int (*p)()){
  18.     if(!(*p)(x, y)){
  19.         printf("相等");
  20.     }else{
  21.         printf("不相等");
  22.     }
  23. }

利用函数指针调用方法具体操作如下：

  1. (*p)(x, y);

指针除了这些地方，还在结构体中用处巨大。今天就先讲到这里~·

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