淺析C語(yǔ)言指針

蘇子偉

指針簡(jiǎn)介

指針是C語(yǔ)言的一個(gè)最重要的特征，它提供了一種統(tǒng)一的方法，使其能訪問(wèn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。但對(duì)C語(yǔ)言初學(xué)者而言，在編程過(guò)程中熟練的使用指針并不能像使用int型變量一樣地輕松愉快，容易上手，往往是不得其精髓。我們知道，不論什么時(shí)候，運(yùn)行一個(gè)程序A，首先都是操作系統(tǒng)自身的加載器把A裝入內(nèi)存，然后CPU才能執(zhí)行。所以A程序的所有要素都會(huì)駐留在內(nèi)存的某個(gè)位置。

下面我們看一段示例程序。

#include

intcmp（int first， int second）

{

return （ first > second ？ first ： second ）；

}

int main（intargc， char **argv）

{

inti = 5；

int j = 9；

returncmp（i， j）；

}

首先，編譯器會(huì)為變量i和j開(kāi)辟內(nèi)存空間，用來(lái)存儲(chǔ)i和j的值。同時(shí)也會(huì)為函數(shù)cmp開(kāi)辟空間來(lái)存放其代碼。這樣使得最終的可執(zhí)行程序就變?yōu)榱烁鷥?nèi)存一一對(duì)應(yīng)的序列。操作系統(tǒng)的加載器把這個(gè)可執(zhí)行程序載入內(nèi)存后，cpu就可以按一條條的語(yǔ)句順序執(zhí)行了。

既然內(nèi)存空間同程序的所有要素是一一對(duì)應(yīng)的，那么怎么區(qū)分各要素的存放位置呢？?jī)?nèi)存使用不同的地址存放不同的要素，如下所示。

由于變量都存放于內(nèi)存地址空間，并且與地址之間是一一對(duì)應(yīng)的，那么利用地址能做些什么呢？我們可以把地址存放到別的變量中，以便我們可以在以后程序的某個(gè)地方使用它。C語(yǔ)言有一個(gè)專門用來(lái)存儲(chǔ)內(nèi)存地址的變量，這就是指針變量，通常我們稱之為指針（pointer）。它是一種變量類型，這種變量方便我們把需要操控的內(nèi)存地址記憶起來(lái)。

定義指針

定義指針的運(yùn)算符同乘法運(yùn)算符是一樣的，都用“*”表示。定義一個(gè)指針變量在語(yǔ)法上是簡(jiǎn)單的，同我們定義其他變量的區(qū)別是：首先規(guī)定它指向的變量類型，然后并不是立即就給出其變量的標(biāo)識(shí)符，而是在變量類型同變量標(biāo)識(shí)符之間插入指針運(yùn)算符（星號(hào)），這樣就告訴編譯器這是一個(gè)指針變量。

C語(yǔ)言中指針可以指向任何的數(shù)據(jù)類型，包括函數(shù)。函數(shù)指針的定義是：函數(shù)返回值+（* + 函數(shù)指針變量標(biāo)識(shí)符）+（函數(shù)的參數(shù)列表）。函數(shù)指針能構(gòu)建出更加清晰的程序結(jié)構(gòu)。編程中經(jīng)常使用的指針定義就是這兩種，當(dāng)然有些定義可能只是語(yǔ)法上面有意義，但是語(yǔ)義上面不一定有具體的意義。例如，int *（*（*（*f）（））[]）（）聲明f是一個(gè)函數(shù)指針，該函數(shù)返回一個(gè)指針，該指針指向數(shù)組，該數(shù)組元素是指針，那些指針指向返回值類型為整型指針的函數(shù)。這樣的聲明可能永遠(yuǎn)也不能應(yīng)用到實(shí)際的代碼中。

指針和數(shù)組

數(shù)組是內(nèi)存中一段連續(xù)相同類型的內(nèi)存數(shù)據(jù)，這組數(shù)據(jù)的首地址以數(shù)組名字來(lái)標(biāo)識(shí)。所有數(shù)組對(duì)其數(shù)據(jù)的操控都可以使用指針來(lái)實(shí)現(xiàn)，同理，指針指向一段內(nèi)存數(shù)據(jù)時(shí)，也可以使用數(shù)組下標(biāo)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)操作。

數(shù)組與指針在使用上的某些地方是非常相似的，但是數(shù)組與指針又有一些細(xì)小的區(qū)別。數(shù)組名表現(xiàn)為一個(gè)靜態(tài)指針，也可以直接把它賦值給指針變量，但它的大小與指針通常是不同的。數(shù)組名的內(nèi)涵在于其指代的實(shí)體是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是數(shù)組。數(shù)組名可以作為參數(shù)傳入一個(gè)接受參數(shù)為指針的函數(shù)內(nèi)部，但是此時(shí)數(shù)組完全丟失了數(shù)組的本義，變成了完全的指針類型，其常量特性（可以作自增、自減等操作）可以被修改。并且，數(shù)組名不能再重新賦值為其他的數(shù)組名字，而指針變量是可以被重新賦值并指向一段新的內(nèi)存地址的。

指針的運(yùn)算

指針的運(yùn)算指的是指針的--、++、-和+運(yùn)算，一個(gè)指針可以加上或者減去一個(gè)整數(shù)。兩個(gè)指針相減得到的是指針之間相隔的元素個(gè)數(shù)。不同的指針變量之間進(jìn)行相加運(yùn)算盡管在語(yǔ)法上是合理的，但是從語(yǔ)義上來(lái)講是沒(méi)有意義的。除了void型指針和函數(shù)指針以外，所有其他類型的指針都可以進(jìn)行指針運(yùn)算。通過(guò)指針變量的增加或減少，指針變量會(huì)指向新的內(nèi)存地址。

一般來(lái)說(shuō)，指針變量自身的大小在理論上是指機(jī)器的字長(zhǎng)，但是指針變量的運(yùn)算并不是按照指針變量自身的大小進(jìn)行內(nèi)存偏移的，而是按照指針變量指向的變量類型大小進(jìn)行內(nèi)存偏移的。比如，聲明一個(gè)整形的指針p，假定p的地址是0x4323672，那么++p后p的值變?yōu)?x43236726。偏移的內(nèi)存大小等于整形變量的內(nèi)存大小4（sizeof（int））。同理，double型指針進(jìn)行++運(yùn)算后偏移值就是8（sizeof（double））。

指針強(qiáng)轉(zhuǎn)

如同整形變量可以強(qiáng)轉(zhuǎn)為浮點(diǎn)型變量一樣，指針類型也可以通過(guò)強(qiáng)轉(zhuǎn)變成新的指針類型，比如我們可以把整形指針強(qiáng)轉(zhuǎn)為字符型指針。指針強(qiáng)轉(zhuǎn)最誘人的地方就在于對(duì)內(nèi)存數(shù)據(jù)進(jìn)行操控就夠了。指針強(qiáng)轉(zhuǎn)使得指針對(duì)數(shù)據(jù)的操控更具有針對(duì)性，而且通過(guò)指針的默認(rèn)強(qiáng)轉(zhuǎn)可以使得函數(shù)的參數(shù)更簡(jiǎn)單，且傳遞的信息量是不變的。比如，void*作為參數(shù)時(shí)可以把任意的指針變量傳遞到函數(shù)內(nèi)部進(jìn)行相關(guān)的操作。

下面我們來(lái)看一個(gè)具體的例子。數(shù)據(jù)的內(nèi)存布局如下圖所示，首先是一個(gè)字符型數(shù)據(jù)，緊接著的是兩個(gè)整形數(shù)據(jù)，最后面是三個(gè)結(jié)構(gòu)體A型數(shù)據(jù)。我們需要做的就是把這些數(shù)據(jù)讀出來(lái)。

我們先聲明一個(gè)字符型的指針p，使其指向第一個(gè)數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址。取完第一個(gè)字符型數(shù)據(jù)后，通過(guò)p++，然后強(qiáng)轉(zhuǎn)指針為整形指針，就可以很方便地取出整形數(shù)據(jù)，同理可取出三個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)。

指針作為參數(shù)

先看一個(gè)例子，我們有兩個(gè)整形變量，x的值為777，y的值為888，現(xiàn)在想構(gòu)建一個(gè)函數(shù)用來(lái)交換兩個(gè)整形變量的值，使得x的值為888，y的值為777。首先我們以傳值的方式構(gòu)建

voidswap_value（int Param1，int Param2）

{

int Temp = Param1；

Param1 = Param2；

Param2 = Temp；

}

我們調(diào)用函數(shù)swap_value（x，y）后，發(fā)現(xiàn)x、y的值并沒(méi)有被交換。造成這種結(jié)果的原因是由于函數(shù)調(diào)用時(shí)，首先對(duì)傳入的實(shí)參進(jìn)行變量的拷貝，交換的值是形參的值，并不是實(shí)參的值。而原來(lái)的實(shí)參與拷貝后的形參變量所處的內(nèi)存也不同，所以并沒(méi)有交換成功。

要想實(shí)現(xiàn)函數(shù)內(nèi)部對(duì)這兩個(gè)值的交換，必須使得實(shí)參與拷貝后的形參變量所處的內(nèi)存是相同的。我們知道了原理后，修正函數(shù)參數(shù)列表，以指針的方式重新構(gòu)建函數(shù)如下：

voidswap_value（int*Param1，int*Param2）

{

int Temp=*Param1；

*Param1=*Param2；

*Param2=Temp；

}

這時(shí)候我們發(fā)現(xiàn)x、y的值被交換了。通過(guò)上面的例子可以看出，使用指針作為參數(shù)可以修改原來(lái)的變量值，使得函數(shù)實(shí)現(xiàn)的機(jī)能更加模塊化，方便了程序的設(shè)計(jì)。

野指針

前面我們已經(jīng)討論過(guò)指針變量同內(nèi)存的關(guān)系，了解了指針變量里面存放的是某個(gè)變量的內(nèi)存地址，該地址可以在程序的某個(gè)位置使用，以方便我們更改或取得該變量的值。指針使得我們擁有了操控內(nèi)存的利器，但同時(shí)指針也是一把雙刃劍。我們必須時(shí)刻確保指針變量的值是我們意圖操控的內(nèi)存地址。如果指針變量的值被不受控的更改或者初始化不正確，那么我們就使用了錯(cuò)誤的地址，從而導(dǎo)致程序錯(cuò)誤，通常我們稱這個(gè)導(dǎo)致程序錯(cuò)誤的指針變量為野指針。由于使用了野指針而產(chǎn)生的程序錯(cuò)誤大多時(shí)候是隱蔽的，難于跟蹤的。野指針的產(chǎn)生主要是由于以下幾種情況。

（1）聲明了指針變量，但是沒(méi)有正確的初始化就使用了該指針變量。

（2）使用指針變量之前沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行安全檢查。

（3）指針指向的內(nèi)存變?yōu)榱藷o(wú)效值，但沒(méi)有及時(shí)對(duì)指針清零，導(dǎo)致程序某處引用了該指針。

（4）多個(gè)指針同時(shí)指向同一內(nèi)存區(qū)域，程序某處通過(guò)某個(gè)指針釋放了該內(nèi)存，但是沒(méi)有及時(shí)對(duì)其他的指針清零，導(dǎo)致程序某處進(jìn)行了錯(cuò)誤的引用。

（5）多線程時(shí)，對(duì)全局的指針變量沒(méi)有進(jìn)行鎖處理。

多級(jí)指針

定義一級(jí)指針我們使用一個(gè)‘*，在定義多級(jí)指針時(shí)，是幾級(jí)指針我們就使用幾個(gè)‘*。例如，聲明一個(gè)整型的二級(jí)指針（int ** ppVar；）。下面以這個(gè)二級(jí)指針為例說(shuō)明一下二級(jí)指針的意義。

二級(jí)指針變量同樣是保存了一個(gè)地址，這個(gè)地址就是某個(gè)一級(jí)指針變量的地址，而一級(jí)指針變量里面保存了最終需要操作的變量的地址，如下所示。

0x4323640 0x4323668

二級(jí)指針變量的值為0x4323640，就是一級(jí)指針變量pVar的地址，變量pVar的值為0x4323668，就是變量Var的地址。如果需要修改變量Var的值，我們可以直接修正**ppVar的值就可以了。

三級(jí)指針或者更多級(jí)指針的原理與二級(jí)指針的原理是相同的，只是需要索引的內(nèi)存空間的深度增加了。在程序設(shè)計(jì)中，引入多級(jí)指針更多的時(shí)候并不僅僅是為了關(guān)注最后一級(jí)指針?biāo)苋〉玫淖兞?，而更多的是為了使用和操控其中間的級(jí)數(shù)的內(nèi)存值。比如利用二級(jí)指針作為函數(shù)的參數(shù)在某個(gè)函數(shù)內(nèi)部對(duì)其分配內(nèi)存，我們更想利用的是一級(jí)指針變量自身。當(dāng)然，在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，有時(shí)我們要在可讀性與語(yǔ)法有效性之間做出選擇，在實(shí)現(xiàn)代碼的過(guò)程中能用低級(jí)指針實(shí)現(xiàn)的盡量不要使用多級(jí)指針實(shí)現(xiàn)，這樣的代碼更利于維護(hù)。

小結(jié)

在C語(yǔ)言中指針的使用非常的廣泛，有時(shí)指針是實(shí)現(xiàn)某個(gè)計(jì)算的唯一方法。同樣的機(jī)能使用指針通常也可以獲得更加高效、緊湊的代碼。指針使得函數(shù)構(gòu)建的機(jī)能更加的模塊化，使得函數(shù)參數(shù)棧更加的短小。同時(shí)在操縱字符串的運(yùn)算中，指針更加簡(jiǎn)單直觀。

在大項(xiàng)目構(gòu)建時(shí)，把函數(shù)指針同數(shù)據(jù)封裝在一起能夠使得代碼編程面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)，使得后期代碼的維護(hù)成本大大降低，代碼的表現(xiàn)也更加具有現(xiàn)實(shí)意義。

當(dāng)然，使指針具有這些優(yōu)點(diǎn)的前提是能夠熟練地使用它。粗心大意地使用指針變量，更容易引入程序錯(cuò)誤。因此，合理正確地使用指針也就成為了C語(yǔ)言愛(ài)好者和使用者的一門必修課。endprint