013 C语言基础：C指针

一：引入

学习 C 语言的指针既简单又有趣。通过指针，可以简化一些 C 编程任务的执行，还有一些任务，如动态内存分配，没有指针是无法执行的。

每一个变量都有一个内存位置，每一个内存位置都定义了可使用连字号（&）运算符访问的地址，它表示了在内存中的一个地址。

实例：
	#include <stdio.h>
	int main(){
    
		int var1;
		char var2[10];
		printf("var1 address is : %x \n", &var1);
		printf("var2 address is : %x \n", &var2);

		return 0;
	}
结果：
	┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
	└─# vim zhizhen.c          
	┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
	└─# gcc zhizhen.c -o zhizhen                    
	┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
	└─# ./zhizhen          
	var1 address is : 387d966c 
	var2 address is : 387d9662 

通过上面的实例，我们了解了什么是内存地址以及如何访问它。接下来让我们看看什么是指针。

 

二：什么是指针

指针是一个变量，其值为另一个变量的地址，即内存位置的直接地址。就像其他变量或常量一样，在使用指针存储其他变量地址之前，对其进行声明。

指针变量声明的一般形式为：type *var-name;

在这里type是指针的基本类型，必须是一个有效的C数据类型，var-name是指针变量的名称，星号是用来指定一个变量是指针。例如：

int    *ip;    /* 一个整型的指针 */
double *dp;    /* 一个 double 型的指针 */
float  *fp;    /* 一个浮点型的指针 */
char   *ch     /* 一个字符型的指针 */

所有指针的值的实际数据类型，不管是整型、浮点型、字符型，还是其他的数据类型，都是一样的，都是一个代表内存地址的长的十六进制数。

不同数据类型的指针之间唯一的不同是，指针所指向的变量或常量的数据类型不同。

 

三：如何使用指针

使用指针时会频繁进行以下几个操作：定义一个指针变量、把变量地址赋值给指针、访问指针变量中可用地址的值。这些是通过使用一元运算符 * 来返回位于操作数所指定地址的变量的值。

实例：
	#include <stdio.h>
	int main(){
    
		int var = 20;       // 实际变量的声明
		int *ip;            // 指针变量的声明
		
		ip = &var;          // 在指针变量中存储var的地址
		printf("value of &var: %x \n", &var);
		printf("value of ip: %x \n", ip);     // 在指针变量中存储的地址
		printf("value of *ip: %x \n", *ip);     // 使用指针访问值
	}
结果：
	┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
	└─# vim use_zhizhen.c
	┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
	└─# gcc use_zhizhen.c -o use_zhizhen   
	┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
	└─# ./use_zhizhen 
	value of &var: ae0c8004 
	value of ip:  ae0c8004 
	value of *ip: 14 

通过指针变量取得数据
指针变量存储了数据的地址，通过指针变量能够获得该地址上的数据，格式为：
*pointer;

这里的*称为指针运算符，用来取得某个地址上的数据，请看下面的例子：

#include <stdio.h>
int main(){
    
	int a = 15;
	int *p = &a;
	printf("%d, %d\n", a, *p);  //两种方式都可以输出a的值
	return 0;
}
运行结果：
15, 15

假设 a 的地址是 0X1000，p 指向 a 后，p 本身的值也会变为 0X1000，*p 表示获取地址 0X1000 上的数据，也即变量 a 的值。从运行结果看，*p 和 a 是等价的。CPU 读写数据必须要知道数据在内存中的地址，普通变量和指针变量都是地址的助记符，虽然通过 *p 和 a 获取到的数据一样，但它们的运行过程稍有不同：a 只需要一次运算就能够取得数据，而 *p 要经过两次运算，多了一层“间接”。

假设变量 a、p 的地址分别为 0X1000、0XF0A0，它们的指向关系如下图所示：
		p					a
	---------			---------
	| 0X1000 |  ---->   |   15	 |
	|--------|          |--------|
	  0XF0A0			  0X1000
  通过*p获取数据			通过a获取数据

程序被编译和链接后，a、p 被替换成相应的地址。使用 *p 的话，要先通过地址 0XF0A0 取得变量 p 本身的值，这个值是变量 a 的地址，然后再通过这个值取得变量 a 的数据，前后共有两次运算；而使用 a 的话，可以通过地址 0X1000 直接取得它的数据，只需要一步运算。也就是说，使用指针是间接获取数据，使用变量名是直接获取数据，前者比后者的代价要高。

指针除了可以获取内存上的数据，也可以修改内存上的数据，例如：

#include <stdio.h>
int main(){
    
	int a = 15, b = 99, c = 222;
	int *p = &a;  //定义指针变量
	*p = b;  //通过指针变量修改内存上的数据
	c = *p;  //通过指针变量获取内存上的数据
	printf("%d, %d, %d, %d\n", a, b, c, *p);
	return 0;
}

 

四：C中的NULL指针

在变量声明的时候，如果没有确切的地址可以赋值，为指针变量赋一个NULL值是一个良好的编程习惯。赋为NULL值的指针称为空指针。NULL指针是一个定义在标准库中的值为零的常量。

实例：
	#include <stdio.h>
	int main(){
    
		int *ptr = NULL;
		printf("ptr的值是 %x \n", ptr);
		return 0;
	}
结果：
	ptr 的值是 0

在大多数的操作系统上，程序不允许访问地址为 0 的内存，因为该内存是操作系统保留的。然而，内存地址 0 有特别重要的意义，它表明该指针不指向一个可访问的内存位置。

 

五：C指针描述

概念	描述
指针的算术运算	可以对指针进行四种算术运算：++、–、+、-
指针数组	可以定义用来存储指针的数组。
指向指针的指针	C 允许指向指针的指针。
传递指针给函数	通过引用或地址传递参数，使传递的参数在调用函数中被改变。
从函数返回指针	C 允许函数返回指针到局部变量、静态变量和动态内存分配。

 

六：指针的算术运算

6.1：概述：

C指针是一个用数值表示的地址，因此，可以对指针执行算术运算，可以对指针进行四种算术运算：++/–/+/-

假设ptr是一个指向地址1000的整型指针，是一个32位的整数，对该指针进行下列的算术运算。ptr++

在执行完上述的运算之后，ptr将指向位置1004，因为ptr每增加一次，它都将指向下一个整数位置，即当前位置往后移4个字节。这个运算会在不影响内存位置中实际值的情况下，移动指针到下一个内存位置。如果ptr指向一个地址为1000的字符，上面的运算会导致指针指向位置1001的字符，上面的运算会导致指针指向位置1001，因为下一个字符位置是在1001。

6.1：递增一个指针

我们喜欢在程序中使用指针代替数组，因为变量指针可以递增，而数组不能递增，数组可以看成一个指针常量。下面的程序递增变量指针，以便顺序访问数组中的每一个元素：

实例：
	#include <stdio.h>
	const int MAX = 3;

	int main(){
    
		int var[] = {
    10, 20, 30};
		int i, *ptr;

		ptr = var;      // 指针中的数组的地址，此处没有用到取址符&
		for(i=0; i<MAX; i++){
    
			printf("address of var[%d] = %x \n", i, ptr);
			printf("value of var[%d] = %d \n", i, *ptr);

			ptr++;      // 移动到下一个位置
		}
		return 0;
	}
结果：
	┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
	└─# vim dizeng_zhizhen.c
	┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
	└─# gcc dizeng_zhizhen.c -o dizeng_zhizhen
	┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
	└─# ./dizeng_zhizhen                      
	address of var[0] = 32e597f4 
	value of var[0] = 10 
	address of var[1] = 32e597f8 
	value of var[1] = 20 
	address of var[2] = 32e597fc 
	value of var[2] = 30 

6.2：递减指针

同样地，对指针进行递减运算，即把值减去其数据类型的字节数。

实例：
	#include <stdio.h>
	const int MAX = 3;
	int main(){
    
		int var[] = {
    10, 20, 30};
		int i, *ptr;

		ptr = &var[MAX -1];     // 指针中最后一个元素的地址，此处需要用到&取址符，只有数组的第一个元素时，不要用到&
		for(i=MAX; i>0; i--){
    
			printf("address of var[%d] = %x \n", i, ptr);
			printf("value of var[%d] = %d \n", i, *ptr);

			ptr--;      // 移动到下一个位置
		}
		return 0;
	}
	结果：
		┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
		└─# vim dijian_zhizhen.c
		┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
		└─# gcc dijian_zhizhen.c -o dijian_zhizhen   
		┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
		└─# ./dijian_zhizhen 
		address of var[3] = 856862dc 
		value of var[3] = 30 
		address of var[2] = 856862d8 
		value of var[2] = 20 
		address of var[1] = 856862d4 
		value of var[1] = 10 

6.3：指针的比较

指针可以用关系运算符进行比较，如 ==、< 和 >。如果 p1 和 p2 指向两个相关的变量，比如同一个数组中的不同元素，则可对 p1 和 p2 进行大小比较。

下面的程序修改了上面的实例，只要变量指针所指向的地址小于或等于数组的最后一个元素的地址 &var[MAX - 1]，则把变量指针进行递增：

实例：
	#include <stdio.h>
	const int MAX = 3;
	int main(){
    
		int var[] = {
    10, 20, 30};
		int i, *ptr;

		ptr = var;      // 指针中第一个元素的地址
		i = 0;
		while(ptr <= &var[MAX - 1]){
    
			printf("address of var[%d] = %x \n", i, ptr);
			printf("value of var[%d] = %d \n", i, *ptr);

			ptr++;      // 指向上一个位置
			i++;
		}
		return 0;
	}
结果：
	┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
	└─# vim bijiao_zhizhen.c
	┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
	└─# gcc bijiao_zhizhen.c -o bijiao_zhizhen   
	┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
	└─# ./bijiao_zhizhen 
	address of var[0] = 79f125d4 
	value of var[0] = 10 
	address of var[1] = 79f125d8 
	value of var[1] = 20 
	address of var[2] = 79f125dc 
	value of var[2] = 30 

 

七：指针数组

在指针数组的概念之前，先让我们来看一个实例，它用到了一个由 3 个整数组成的数组：

	#include <stdio.h>
	const int MAX = 3;
	int main ()
	{
    
	   int  var[] = {
    10, 100, 200};
	   int i;
	 
	   for (i = 0; i < MAX; i++)
	   {
    
		  printf("Value of var[%d] = %d\n", i, var[i] );
	   }
	   return 0;
	}

当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：
	Value of var[0] = 10
	Value of var[1] = 100
	Value of var[2] = 200

可能有一种情况，我们想要让数组存储指向 int 或 char 或其他数据类型的指针。下面是一个指向整数的指针数组的声明：
int *ptr[MAX];

在这里，把 ptr 声明为一个数组，由 MAX 个整数指针组成。因此，ptr 中的每个元素，都是一个指向 int 值的指针。下面的实例用到了三个整数，它们将存储在一个指针数组中，
如下所示：

	#include <stdio.h>
	const int MAX = 3;
	int main ()
	{
    
	   int  var[] = {
    10, 100, 200};
	   int i, *ptr[MAX];
	 
	   for ( i = 0; i < MAX; i++)
	   {
    
		  ptr[i] = &var[i]; /* 赋值为整数的地址 */
	   }
	   for ( i = 0; i < MAX; i++)
	   {
    
		  printf("Value of var[%d] = %d\n", i, *ptr[i] );
	   }
	   return 0;
	}
当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：
	Value of var[0] = 10
	Value of var[1] = 100
	Value of var[2] = 200


也可以用一个指向字符的指针数组来存储一个字符串列表，如下：
	#include <stdio.h>
	const int MAX = 4;
	int main ()
	{
    
	   char *names[] = {
    
					   "Zara Ali",
					   "Hina Ali",
					   "Nuha Ali",
					   "Sara Ali",
	   };
	   int i = 0;

	   for ( i = 0; i < MAX; i++)
	   {
    
		  printf("Value of names[%d] = %s\n", i, names[i] );
	   }
	   return 0;
	}
当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：
	Value of names[0] = Zara Ali
	Value of names[1] = Hina Ali
	Value of names[2] = Nuha Ali
	Value of names[3] = Sara Ali

 

八：指向指针的指针

是一种多级间接寻址的形式，或者说是一个指针链。通常，一个指针包含一个变量的地址。当我们定义一个指向指针的指针时，第一个指针包含了第二个指针的地址，第二个指针指向包含实际值的位置。

声明，即在变量名前放置两个星号：

int **var;

当一个目标值被一个指针间接指向到另一个指针时，访问这个值需要使用两个星号运算符，

实例：
	#include <stdio.h>
	int main(){
    
		int var;
		int *ptr;
		int **pptr;

		var = 3000;
		ptr = &var;         // 获取var的地址
		pptr = &ptr;        // 使用运算符&获取ptr的地址

		printf("var : %d \n", var);
		printf("*ptr : %d \n", *ptr);
		printf("**pptr : %d \n", **pptr);
		printf("ptr: %x \n", ptr);
		printf("pptr: %x \n", pptr);
		return 0;
	}
结果：
	┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
	└─# vim zhizhenzhizhen.c
	┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
	└─# gcc zhizhenzhizhen.c -o zhizhenzhizhen   
	┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
	└─# ./zhizhenzhizhen 
	var : 3000 
	*ptr : 3000 
	**pptr : 3000 
	ptr: cc594804 
	pptr: cc5947f8 

 

九：传递指针给函数

C语言允许传递指针给函数，只需要简单的声明函数参数为指针类型即可。
下面实例中，我们传递一个无符号的long型指针给函数，并在函数内改变这个值：

	#include <stdio.h>
	void getSeconds(unsigned long *par);

	int main(){
    
		unsigned long sec;
		getSeconds(&sec);

		printf("Number of seconds: %ld \n", sec);   // 输出实际值
		return 0;
	}

	void getSeconds(unsigned long *par){
    
		*par = time(NULL);      // 获取当前的秒数
		return;
	}
结果：
	┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
	└─# vim zhizhenhanshu.c 
	┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
	└─# gcc zhizhenhanshu.c -o zhizhenhanshu   
	zhizhenhanshu.c: In function ‘getSeconds’:
	zhizhenhanshu.c:13:12: warning: implicit declaration of function ‘time’ [-Wimplicit-function-declaration]
	   13 |     *par = time(NULL);      // 获取当前的秒数
		  |            ^~~~
	┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
	└─# ./zhizhenhanshu 
	Number of seconds: 1655260682 

 

十：从函数返回指针

在上一章中，我们已经了解了 C 语言中如何从函数返回数组，类似地，C 允许您从函数返回指针。为了做到这点，您必须声明一个返回指针的函数，如下所示：

int * myFunction(){
    
}

另外，C不支持在函数外返回局部变量的地址，除非定义局部变量为static变量。

现在，让我们来看下面的函数，会生成10个随机数，并使用表示指针的数组名（即第一个数组元素的地址）来返回它们，具体如下：

	#include <stdio.h>
	#include <time.h>
	#include <stdlib.h>

	// 要生成和返回随机数的函数
	int * getRandom(){
    
		static int r[10];
		int i;

		srand((unsigned)time(NULL));        // 设置种子
		for(i=0; i<10; ++i){
    
			r[i] = rand();
			printf("%d \n", r[i]);
		}
		return r;
	}

	// 要调用上面定义函数的主函数
	int main(){
    
		// 一个指向整数的指针
		int *p;
		int i;

		p = getRandom();
		for(i=0; i<10; i++){
    
			printf("*(p+[%d]) : %d\n", i, *(p+i));
		}
		return 0;
	}
结果：
	┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
	└─# vim hanshuzhizhen.c
	┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
	└─# gcc hanshuzhizhen.c -o hanshuzhizhen   
	┌──(rootkali)-[~/Desktop/c_test]
	└─# ./hanshuzhizhen 
	1181024331 
	473861915 
	133589365 
	1181239576 
	862847673 
	808881362 
	1959669527 
	1283500003 
	1282139234 
	1969592223 
	*(p+[0]) : 1181024331
	*(p+[1]) : 473861915
	*(p+[2]) : 133589365
	*(p+[3]) : 1181239576
	*(p+[4]) : 862847673
	*(p+[5]) : 808881362
	*(p+[6]) : 1959669527
	*(p+[7]) : 1283500003
	*(p+[8]) : 1282139234
	*(p+[9]) : 1969592223