深入理解C语言指针

作者: cheng 发布时间: 2019-10-11 浏览: 51 次 编辑

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:

void main(){
     int x = 10, int y = 20;
}

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:

  • 去酒店订了两个房间,门牌号暂时用 px、py 表示
  • 让 10 住进 px,让 20 住进 py
  • 其中门牌号就是 px、py 就是变量的地址
  • 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。

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:

//分别定义了 int、float、char 类型的指针变量
int *x;
float *f;
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:

//声明了一个普通变量 a
int a;
//声明一个指针变量,指向变量 a 的地址
int *pa;
//通过取地址符&,获取 a 的地址,赋值给指针变量
pa = &a;
//通过间接寻址符,获取指针指向的内容
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。

void main(){
 //声明两个普通变量
 int x, y;
 //声明两个指针变量
 int *px, *py;
 //声明一个临时变量,用于交换
 int t;
 //输入两个值,赋值给 x、y
 scanf("%d", &x);
 scanf("%d", &y);
 //给指针变量 px、py 赋初值(关联变量 x、y)
 px = &x;
 py = &y;
 //利用指针来对比 x、y 的值,如果 x 的值比 y 的值小,就交换
 if(*px < *py){
        //交换步骤,其中*px == x、*py == y
        t = *px;
        *px = *py;
        *py = t;
 }
 printf("x =  %d, y = %d", *px, *py);
}

结果:

输入:23 45
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。

//利用取地址获取 x 的地址,在指针变量 px 定义时,赋值给 px
int x;
int *px = &x;
//定义指针变量,分别赋值"NULL"和"0"
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

int *px, *py, *pz, x = 10;
//赋予某个变量的地址
px = &x;
//相互赋值
py = px;
//赋值具体的地址
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){
 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){
 printf("px 和 pz 指向同一个地址");
}

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

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:

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

上面两句是等价的。


如下几个操作,用指针操作数组:

*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。

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)。

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。

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:

//定义一个整形数组,并初始化
int nums[5] = {4, 5, 3, 2, 7};


//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
int *p = nums, i;            //i 作为循环变量


//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
printf("nums[0] = %d\n", *p);            //输出结果为 nums[0] = 4


//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
printf("nums[1] = %d\n", *(p + 1));        //输出结果为 nums[1] = 5


//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
for(i = 0; i < 5; i++){
 printf("nums[%d] = %d", i, *(p + i));
}

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。

char word[] = "zack";
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:

//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
char *sentence = "Do not go gentle into that good night!";


//此时可以做字符串的操作
//输出
printf("%s", sentence);


//通过下标取字符
printf("%c", sentence[0]);


//获取字符串长度,其中 strlen 是 string.h 库中的方法
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:

//定义字符数组 sentence 和 word,给 sentence 赋初值
char sentence[] = "Do not go gentle into that good night!", word[100];


//定义字符指针,指向 word
char *ch = word;
int i;


//循环赋值
for(i = 0; sentence[i] != '\0'; i++){
 *(ch + i) = sentence[i];
}


//在当 i 等于 sentence 的长度(sentence 的长度不包含'\0')时,
//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
*(ch + i) = '\0';


//输出字符串,因为 ch 指向 word,所以输出结果是一样的
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:

其中 p 为一级指针,pp 为二级指针。二级指针定义形式如下:

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:

//定义普通变量和指针变量
int *pi, i = 10;
//定义二级指针变量
int **ppi;


//给指针变量赋初值
pi = &i;


//给二级指针变量赋初值
ppi = &pi;


//我们可以直接用二级指针做普通指针的操作
//获取 i 的内容
printf("i = %d", **ppi);
//获取 i 的地址
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:

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:

//定义一个数组
int nums[5] = {2, 3, 4, 5, 2}, i;


//定义一个指针数组
int *p[5];


//定义一个二级指针
int **pp;


//循环给指针数组赋值
for(i = 0; i < 5; i++){
 p[i] = &nums[i];
}


//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。
//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。
pp = p;


//利用二级指针 pp 输出数组元素
for(i = 0; i < 5; i++){
 //pp == &p[0] == &&nums[0],nums[0] == *p[0] == **pp
 printf("%d", **pp);
 
 //指针变量+整数的操作,即移动指针至下一个单元
 pp++;
}

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:

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

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。

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:

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:

//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
int nums[2][2][2];


//此数组首地址为该数组名称
printf("此数组首地址为%d", nums);


//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
printf("第二个维度的首地址为%d", nums[0]);


//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]
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:

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:

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:

int nums[5] = {2, 4, 5, 6, 7};
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:

//定义一个二维数组
int nums[2][2] = {
 {1, 2},
 {2, 3}
};


//此时 nums[0]、和 nums[1]各为一个数组
int *p[2] = {nums[0], nums[1]};


//我们可以用指针数组 p 操作一个二维数组


//p 为数组 p 的首地址,p[0] = nums[0] = *p,**p = nums[0][0]
printf("nums[0][0] = %d", **p);


//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]
printf("nums[1][0] = %d", **(p + 1));


//先*p = nums[0],再*p + 1 = &nums[0][1],最后获取内容*(*p + 1)即为 nums[0][1]
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。

void swap(int *x, int *y);
void main(){
 int x = 20, y = 10;
 swap(&x, &y);
 printf("x = %d, y = %d", x ,y);
}
void swap(int *x, int *y){
 int t;
 t = *x;
 *x = *y;
 *y = t;
}

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:

数据类型 *函数名(参数列表){
 函数体
}
//例如:
int s;
int *sum(int x, int y){
 s = x + y;
 return &s;
}

在函数调用前要声明需要对函数声明(有点编译器不需要)

int s;
void mian(){
 int *r = sum(10, 9);
 printf("10 + 9 + %d", *r);
}
int *sum(int x, int y){
 s = x + y;
 return &s;
}

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:

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:

#include <string.h>
/**
* 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
*/
void check(char *x, char *y, int (*p)());
void main(){
 //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
 int strcmp();
 char x[] = "Zack";
 char y[] = "Rudy";
 
 //定义一个函数指针
 int (*p)() = strcmp;


 check(x, y, p);
}
void check(char *x, char *y, int (*p)()){
 if(!(*p)(x, y)){
        printf("相等");
 }else{
        printf("不相等");
 }
}

利用函数指针调用方法具体操作如下:

(*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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