從內(nèi)存的角度解析C語(yǔ)言中的指針

張?zhí)煊?/p>

（無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院智能制造學(xué)院，無(wú)錫214000）

0 引言

C語(yǔ)言語(yǔ)法簡(jiǎn)潔、運(yùn)算符豐富、編程靈活、可移植性高，是一門重要的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。在C語(yǔ)言中，通過(guò)指針可以實(shí)現(xiàn)硬件的訪問(wèn)、動(dòng)態(tài)分配和收回內(nèi)存、減少全局變量的使用、實(shí)現(xiàn)函數(shù)的回調(diào)功能等，被稱為C語(yǔ)言的“靈魂”；但是指針概念抽象，難以把握，使用不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致程序退出和內(nèi)存泄露，甚至系統(tǒng)崩潰，成為學(xué)習(xí)C語(yǔ)言的難點(diǎn)。

在C Primer Plus[1]一書中，將指針定義為一種變量，其值為內(nèi)存地址（Basically,a pointer is a variable,（or more generally,a data object）,whose value is a memory address）。通過(guò)這個(gè)定義，理解指針的前提是，理解變量和變量值，內(nèi)存和內(nèi)存地址。Data object is a general term for a region of data storage that can be used to hold values.The C standard uses just the term object for this concept.One way to identify an object is by using the name of a variable。數(shù)據(jù)對(duì)象指的是內(nèi)存的一部分，在C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)中稱為對(duì)象，定位該對(duì)象的方法之一是通過(guò)變量名。在A Reference Manual[2]中，指針被定義為，指向類型的對(duì)象，指針本身也是一種對(duì)象，該對(duì)象的值為內(nèi)存的地址（For any type T,a pointer type“pointer to T”may be formed.A value of pointer type is the address of an object or function of type T.）類型的定義：A type is a set of value and a set of operations on those values。類型是一個(gè)數(shù)值集合以及對(duì)這個(gè)數(shù)值集合的操作。指針在The C Programming Language[3]一種中的定義為：指針是一種變量，該變量的值時(shí)其他變量的內(nèi)存地址。（A pointer is a variable that contains the address of a vari?able.）Variables and constants are the basic data objects manipulated in a program。變量和常量是程序處理的兩種基本對(duì)象。A data object is a named region of storage.一個(gè)對(duì)象是一個(gè)命名的存儲(chǔ)區(qū)域。

分析上述C語(yǔ)言領(lǐng)域經(jīng)典資料對(duì)指針及其指針相關(guān)概念的定義可知，內(nèi)存是把握和理解“指針”概念的核心所在。在閻石教授所著的《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》中[4]，把內(nèi)存定義為：一種能夠存儲(chǔ)大量二值信息（或稱為數(shù)據(jù)）的器件[5]。本文利用開關(guān)的“閉”“開”兩種狀態(tài)，來(lái)表示存儲(chǔ)器中的“二值信息”。利用64個(gè)“開關(guān)”，構(gòu)建了可論述的內(nèi)存模型。以此為基礎(chǔ)介紹了C語(yǔ)言中變量、類型、指針等概念的核心特點(diǎn)。

1 內(nèi)存

1.1 由“開關(guān)”到“內(nèi)存”

對(duì)于一個(gè)普通的物理開關(guān)，存在兩種狀態(tài)，開和關(guān)；即通電和斷電兩種狀態(tài)。假設(shè)“開”的狀態(tài)，用“0”來(lái)表示，“關(guān)”的狀態(tài)用“1”來(lái)表示，那么開關(guān)的兩種狀態(tài)就可以表示“1”和“0”。表述了內(nèi)存的特點(diǎn)：“二值信息”。若將8個(gè)開關(guān)排成一排，得到的結(jié)果如圖2所示。圖2中，底部的一行全部為關(guān)閉狀態(tài)；中間一行，部分處于打開，部分處于關(guān)閉；上面一行處于全部打開狀態(tài)。因?yàn)槊總€(gè)開關(guān)存在0和1兩種狀態(tài)，8個(gè)開關(guān)組合到一起，共存在256個(gè)狀態(tài)。即從全部關(guān)閉（0000 0000）到全部打開（1111 1111），共256種狀態(tài)。若將64個(gè)開關(guān)，按照每一排有8個(gè)，則可以得到8行，得到結(jié)果如圖3所示，它形象地表示了內(nèi)存基本模型。

圖1 開關(guān)示意圖

圖2 開關(guān)不同狀態(tài)示意圖

圖3 開關(guān)“內(nèi)存模型”示意圖

結(jié)合圖2和圖3可以得出，這些開關(guān)共有256×8個(gè)狀態(tài)。我們把這些所有可能的狀態(tài)統(tǒng)稱為：“內(nèi)存狀態(tài)信息”。按照8個(gè)一排、縱向?qū)ζ涞囊?guī)則，對(duì)64個(gè)開關(guān)進(jìn)行統(tǒng)一編碼，得到的結(jié)果如圖3所示，右側(cè)是按照10進(jìn)制編碼的結(jié)果：0～7。這種結(jié)果稱為：內(nèi)存“地址信息”。

1.2 內(nèi)存的基本操作

由圖3可知，所有的開關(guān)處于打開狀態(tài)?，F(xiàn)在將第2行第3列、第5列和第7列（從左至右：0～7列）的按鈕閉合，得到的結(jié)果如圖4所示。上述描述的過(guò)程，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域用“操作”一詞來(lái)表述。這個(gè)操作過(guò)程有兩個(gè)基本的步驟：①選擇某些按鈕，②設(shè)置選擇按鈕的狀態(tài)（“開”、“閉”）。換而言之，通過(guò)內(nèi)存的“地址信息”，選擇某些按鈕；而后設(shè)置這些按鈕的狀態(tài)信息（“開”、“閉”），即選中內(nèi)存的“狀態(tài)信息”。這就是內(nèi)存操作的最本質(zhì)特點(diǎn)。

圖4 開關(guān)“內(nèi)存模型”操作示意圖

1.3 內(nèi)存區(qū)域與C語(yǔ)言中類型

前述分析可知，一排8個(gè)的“開關(guān)”（如圖5黑色實(shí)線部分所示，標(biāo)記為：內(nèi)存區(qū)域A），有256種狀態(tài)。換而言之，最多可以表示256個(gè)數(shù)。超過(guò)256，一排8個(gè)“開關(guān)”無(wú)法表達(dá)?，F(xiàn)實(shí)中需要表達(dá)的數(shù)量遠(yuǎn)不止256個(gè)。為了增加可以表達(dá)的數(shù)量，可以增加“開關(guān)”個(gè)數(shù)。一種方式如圖5下部虛線方框所示“內(nèi)存區(qū)域B”（第1排和第0排））。當(dāng)數(shù)量范圍在0～255時(shí)，可用一排的“開關(guān)”表示。視它們“開關(guān)”視為一組（圖5第5排）。在C語(yǔ)言中，用“內(nèi)存區(qū)域”指稱這一組開關(guān)（如圖5所示內(nèi)存區(qū)域A）。在對(duì)它們進(jìn)行操作是，首選選中它們，而后改變它們的狀態(tài)。當(dāng)數(shù)量范圍在0～255×255（65025），可以用 2排“開關(guān)”（圖 5 第 1排和第 0排，內(nèi)存區(qū)域B）進(jìn)行表示，視它們?yōu)橐唤M。在對(duì)它們進(jìn)行操作時(shí)，首選選中它們，而后改變它們的狀態(tài)。

在C語(yǔ)言中，通過(guò)類型來(lái)表達(dá)所用“開關(guān)”的數(shù)量。例如：unsigned char類型，表示視8個(gè)“開關(guān)”為一組（內(nèi)存區(qū)域A）。那么char可以表示的狀態(tài)總數(shù)為256。就C語(yǔ)言中char類型而言，用“取值范圍”一詞，指稱前述狀態(tài)總數(shù)。再例如，unsigned int16類型，表示視16個(gè)開關(guān)為一組（內(nèi)存區(qū)域B），可以表示的狀態(tài)總數(shù)為 65025，取值范圍為：0～65025。

當(dāng)然，C語(yǔ)言中還有其他的數(shù)據(jù)類型，如浮點(diǎn)數(shù)、數(shù)組、結(jié)構(gòu)體等。為了降低論述的復(fù)雜程度，本文不再論述。注意，多數(shù)情況下，一次最小選擇的數(shù)量是1個(gè)開關(guān)，這個(gè)叫位選。但是多數(shù)情況下，一次選擇的數(shù)量為8個(gè)開關(guān)。這里面涉及架構(gòu)知識(shí)，本文也不予展開。本文的目的理清指針概念的核心側(cè)面，而不是指針概念的全部。

圖5 開關(guān)“內(nèi)存模型”中的內(nèi)存區(qū)域示意圖

1.4 內(nèi)存區(qū)域與C語(yǔ)言中的變量

可以通過(guò)內(nèi)存的“地址信息”（圖5第5排），來(lái)選擇所需操作“開關(guān)”數(shù)量（即內(nèi)存區(qū)域）；但是不方便而且也容易出錯(cuò)。一個(gè)解決辦法就是，給相應(yīng)內(nèi)存區(qū)域命名。一種命名的結(jié)果如圖6所示。用“Char-1”表示含有8個(gè)開關(guān)的內(nèi)存區(qū)域，用“Int-1”表示含有16個(gè)開關(guān)的內(nèi)存區(qū)域。上述兩個(gè)名字，在C語(yǔ)言中稱為變量。由圖6可知，變量“Char-1”包含了相應(yīng)內(nèi)存區(qū)域的“地址信息”和“狀態(tài)信息”。換而言之，通過(guò)變量“Char-1”，可以獲得相應(yīng)內(nèi)存區(qū)域的地址編碼“5”，還可以獲得相應(yīng)內(nèi)存區(qū)域的狀態(tài)“閉閉閉閉閉閉閉開”。假設(shè)“閉”用“1”來(lái)表，“開”用“0”來(lái)表示，相應(yīng)內(nèi)存區(qū)域的狀態(tài)可以表示為“00000001”。若將這種狀態(tài)視為“2進(jìn)制”，則表示的數(shù)值為：00000001；對(duì)應(yīng)的“10進(jìn)制”為1。在C語(yǔ)言中，我們說(shuō)變量“Char-1”的值為1。同樣的方法可以分析“Int-1”對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)值為：1011101100001111，對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制為：47887。在C語(yǔ)言中，我們說(shuō)變量“Int-1”的值為47887。

由圖6可知，變量“Char-1”對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址信息為5（十進(jìn)制）。前述可知，變量“Char-1”的值為1（十進(jìn)制）。在C語(yǔ)言中，變量“Char-1”的“數(shù)值”可以用Char-1來(lái)表示，而變量“Char-1”的地址，可用“&Char-1”來(lái)表示。換而言之，在C語(yǔ)言中，“Char-1”等價(jià)于“1”，表達(dá)的是“Char-1”對(duì)應(yīng)的內(nèi)存狀態(tài)信息；而“&Char-1”等價(jià)“5”，表達(dá)的是“Char-1”對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址信息。一個(gè)變量是一個(gè)命名了內(nèi)存區(qū)域（如內(nèi)存區(qū)域A）[1]，包含了兩個(gè)基本的方面“內(nèi)存地址信息”和“內(nèi)存狀態(tài)信息”。

圖6 開關(guān)“內(nèi)存模型”中的變量示意圖

由圖6可知，變量“Int-1”對(duì)應(yīng)的地址信息為1和0（十進(jìn)制），前述分析可知，變量“Int-1”的值為47887（十進(jìn)制）。在 C 語(yǔ)言中“Int-1”等價(jià)于“47887”，“&Int-1”指稱/選中的內(nèi)存區(qū)域如由圖6實(shí)線方框所示。但是“&Int-1”得到的“值”可能是“0”，也可能是“1”。這與具體的CPU構(gòu)架有關(guān)，不是本文關(guān)注的重點(diǎn)。本文關(guān)注的重點(diǎn)是“&Int-1”所指稱的內(nèi)存區(qū)域B。為了，論述方便，本文假設(shè)“&Int-1”得到的值為“1”。

2 指針變量

在進(jìn)行內(nèi)存操作時(shí)，存在通過(guò)“內(nèi)存區(qū)域A”找到“內(nèi)存區(qū)域B”的需求。換而言之，希望“內(nèi)存區(qū)域A”和“內(nèi)存區(qū)域B”相關(guān)聯(lián)。假如內(nèi)存區(qū)域A中，有“內(nèi)存區(qū)域B”的地址信息，就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)內(nèi)存區(qū)域的關(guān)聯(lián)。前述分析可以，一個(gè)內(nèi)存區(qū)域包含兩個(gè)基本的方面：“地址信息”和“狀態(tài)信息”。內(nèi)存的地址信息，一般是不能改變的。換而言之，當(dāng)把“開關(guān)”按照一定規(guī)則編碼后，這個(gè)編碼信息是基本不變的。方便改變的只有“狀態(tài)信息”，若內(nèi)存的狀態(tài)信息，可以表示內(nèi)存的地址信息，就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)內(nèi)存區(qū)域的關(guān)聯(lián)。如內(nèi)存區(qū)域A的狀態(tài)信息，用二進(jìn)制表示：0000 0001；內(nèi)存區(qū)域B的地址信息，用二進(jìn)制表示也為：0000 0001。這樣就實(shí)現(xiàn)內(nèi)存區(qū)域A和內(nèi)存區(qū)域B的相互關(guān)聯(lián)。在本文中，開關(guān)代表的是二值信息，如果用開用“0”表示，關(guān)用“1”表示，得到的結(jié)果如圖8所示。直觀地表示了內(nèi)存地址信息，可以用內(nèi)存狀態(tài)信息來(lái)表達(dá)。上述內(nèi)容在C語(yǔ)言中表述為，指針變量的值用于存儲(chǔ)內(nèi)存地址[6]。

圖7 開關(guān)“內(nèi)存模型”中的指針變量示意圖

圖8 二值信息“內(nèi)存模型”中的字符型指針變量示意圖

在C語(yǔ)言中，內(nèi)存區(qū)域A和內(nèi)存區(qū)域B相互關(guān)聯(lián)的實(shí)現(xiàn)方式為：指針。下述語(yǔ)句“unsigned char*PChar-1”，定義了一個(gè)字符型指針變量“PChar-1”。假設(shè)變量“PChar-1”對(duì)應(yīng)的地址信息為:00000101，即內(nèi)存區(qū)域A標(biāo)記的內(nèi)存單元?！癙Char-1”對(duì)應(yīng)的狀態(tài)信息為：00000001。這個(gè)狀態(tài)信息代表的是存地址信息，即00000001，即“內(nèi)存區(qū)域B”標(biāo)記的內(nèi)存單元。在C語(yǔ)言中，“*PChar-1”用以表示“內(nèi)存區(qū)域B”對(duì)應(yīng)狀態(tài)信息，即 10111011。而“&（*PChar-1）”用以表示內(nèi)存區(qū)域B的地址信息。PChar-1稱為指針變量，簡(jiǎn)稱指針。實(shí)際上“*PChar-1”代表的就是一個(gè)字符變量。當(dāng)需要改變內(nèi)存區(qū)域B的狀態(tài)信息時(shí)，通過(guò)給“*PChar-1”賦值即可完成。例如，*PChar-1=255的結(jié)果如圖9所示。

2.1 指針變量的類型

如圖10所示，“內(nèi)存區(qū)域A”和“內(nèi)存區(qū)域B”的大小不一致。在這種情況下如將內(nèi)存區(qū)域A與內(nèi)存區(qū)域B聯(lián)系起來(lái)。在C語(yǔ)言中，也是通過(guò)指針實(shí)現(xiàn)兩個(gè)內(nèi)存區(qū)域的關(guān)聯(lián)。在這一關(guān)聯(lián)的過(guò)程中，需要知道內(nèi)內(nèi)存區(qū)域A和內(nèi)存區(qū)域B的一些基本信息，例如內(nèi)存區(qū)域B的大小。由前述分析可知，內(nèi)存區(qū)域的大小可以通過(guò)類型來(lái)確定。

圖9 二值信息“內(nèi)存模型”中的無(wú)符號(hào)字符型指針變量示意圖

圖10 二值信息“內(nèi)存模型”中的無(wú)符號(hào)整型指針變量示意圖

在 C 語(yǔ)言中，下述語(yǔ)句“unsigned int*PInt-1”，定義了一個(gè)無(wú)符號(hào)的16位整型指針變量“PInt-1”。假設(shè)變量“PInt-1”對(duì)應(yīng)的地址信息為:00000101，即內(nèi)存區(qū)域A標(biāo)記的內(nèi)存單元。“PInt-1”對(duì)應(yīng)的狀態(tài)信息為：00000001。這個(gè)狀態(tài)信息代表的是存地址信息，即00000001，即“內(nèi)存區(qū)域B”標(biāo)記內(nèi)存單元的第一行。在C語(yǔ)言中“*PInt-1”，指稱/選中的是內(nèi)存區(qū)域B對(duì)應(yīng)的區(qū)域，盡管“&（*PInt-1）”得到的結(jié)果是 0000 0001。與“*PChar-1”類似，“*PInt-1”代表的就是一個(gè) 16 位的整型變量。當(dāng)需要改變內(nèi)存區(qū)域B的狀態(tài)信息時(shí)，通過(guò)給“*PInt-1”賦值即可完成。例如，*PInt-1=65280的結(jié)果（圖10，內(nèi)存區(qū)域B所示）。注意PChar-1和PInt-1 對(duì)應(yīng)的值都是“1”，但是“*PChar-1”和“*PInt-1”的結(jié)果明顯不同是，原因是它們的類型不同，更根本的原因是PChar-1和PInt-1指稱/選中的內(nèi)存區(qū)域大小不同。

2.2 指針變量占用的內(nèi)存區(qū)域

一般情況下，當(dāng)內(nèi)存的位寬和大小確定后，指針變量占用的內(nèi)存區(qū)域大小是確定的。換而言之，當(dāng)內(nèi)存的地址編碼結(jié)束之后，存儲(chǔ)每一個(gè)地址編碼信息所需內(nèi)存區(qū)域是一定的。在本文中，內(nèi)存是有64個(gè)開關(guān)，按照8個(gè)一排構(gòu)成的模型（8，經(jīng)常被稱為位寬）。內(nèi)存的地址信息是：0～7。當(dāng)編碼結(jié)束后，存儲(chǔ)內(nèi)存地址信息所需的開關(guān)個(gè)數(shù)也就確定了。如前述的PChar-1和PInt-1，存放它們所需的內(nèi)存區(qū)域大小是相同的。但是*PChar-1和*PInt-1所指稱/選中的內(nèi)存區(qū)域是不一樣。

2.3 指針變量的基本運(yùn)算

前述分析可知，PChar-1的值為“1”，PInt-1的值也為“1”。PChar-1+1 的值為“2”，但是 PInt-1+1 的值為3。這是因?yàn)?，它們指稱/選中的內(nèi)存區(qū)域大小不同；PChar-1指稱/選中的內(nèi)存區(qū)域是一排，而PInt-1選中的內(nèi)存區(qū)域是“兩排”。指針變量的運(yùn)算結(jié)果，與指針變量所指內(nèi)存區(qū)域的大小有關(guān)，如圖11和圖12所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以“開關(guān)”為元素，構(gòu)建了簡(jiǎn)易的內(nèi)存模型。以該模型為基礎(chǔ)，介紹了變量概念所包含的兩個(gè)基本側(cè)面“地址信息”和“狀態(tài)信息”，導(dǎo)出了內(nèi)存區(qū)域“狀態(tài)信息”表述內(nèi)存區(qū)域“地址信息”，是指針概念的本質(zhì)所在。從內(nèi)存的視角，分析了“變量類型”與“指針類型”的關(guān)系，進(jìn)而解析了。C語(yǔ)言中“指針概念”的基本側(cè)面。

圖11 二值信息“內(nèi)存模型”中無(wú)符號(hào)字符型指針運(yùn)算示意圖

圖12 二值信息“內(nèi)存模型”中無(wú)符號(hào)整型（uint-16） 指針變量的運(yùn)算