理解C语言指针:一种简化方法
0 2024-02-23

指针无处不

许多初学C语言的人都觉得指针挺难。其实生活中处处都有指针,我们也处处在使用它。有了它我们的生活才更加方便了。没有指针,那生活才不方便。

不信?你看下面的例子。

这是一个生活中的例子:

比如说你要我借给你一本书,我到了你宿舍,但是你人不在宿舍,于是我把书放在你的2层3号的书架上,并写了一张纸条放在你的桌上。纸条上写着:你要的书在第2层3号的书架上。当你回来时,看到这张纸条,你就知道了我借你的书放在哪了。你想想看,这张纸条的作用,纸条本身不是书,它上面也没有放着书。那么你又如何知道书的位置呢?因为纸条上写着书的位置嘛!其实这张纸条就是一个指针了。它上面的内容不是书本身,而是书的地址,你通过纸条这个指针找到了我借给你的这本书。

计算机中所有的数据都必须放在内存中,不同类型的数据占用的字节数不一样,例如 int 占用4个字节,char 占用1个字节。为了正确地访问这些数据,必须为每个字节都编上号码,就像门牌号、身份证号一样,每个字节的编号是唯一的,根据编号可以准确地找到某个字节。

下图是 4G 内存中每个字节的编号(以十六进制表示):

我们将内存中字节的编号称为地址(Address)或指针(Pointer)。地址从 0 开始依次增加,对于 32 位环境,程序能够使用的内存为 4GB,最小的地址为 0,最大的地址为 0XFFFFFFFF

下面的代码演示了如何输出一个地址:

运行结果:

0X28FF3C, 0X28FF10

%#X表示以十六进制形式输出,并附带前缀0X。a 是一个变量,用来存放整数,需要在前面加&来获得它的地址;str 本身就表示字符串的首地址,不需要加&。

一切都是地址

C语言用变量来存储数据,用函数来定义一段可以重复使用的代码,它们最终都要放到内存中才能供 CPU 使用。

据和代码都以二进制的形式存储在内存中,计算机无法从格式上区分某块内存到底存储的是数据还是代码。当程序被加载到内存后,操作系统会给不同的内存块指定不同的权限,拥有读取和执行权限的内存块就是代码,而拥有读取和写入权限(也可能只有读取权限)的内存块就是数据。

CPU 只能通过地址来取得内存中的代码和数据,程序在执行过程中会告知 CPU 要执行的代码以及要读写的数据的地址。如果程序不小心出错,或者开发者有意为之,在 CPU 要写入数据时给它一个代码区域的地址,就会发生内存访问错误。这种内存访问错误会被硬件和操作系统拦截,强制程序崩溃,程序员没有挽救的机会。

CPU 访问内存时需要的是地址,而不是变量名和函数名!变量名和函数名只是地址的一种助记符,当源文件被编译和链接成可执行程序后,它们都会被替换成地址。编译和链接过程的一项重要任务就是找到这些名称所对应的地址。

假设变量 a、b、c 在内存中的地址分别是 0X1000、0X2000、0X3000,那么加法运算c = a + b;将会被转换成类似下面的形式:

0X3000 = (0X1000) + (0X2000);

( )表示取值操作,整个表达式的意思是,取出地址 0X10000X2000 上的值,将它们相加,把相加的结果赋值给地址为 0X3000 的内存。

变量名和函数名为我们提供了方便,让我们在编写代码的过程中可以使用易于阅读和理解的英文字符串,不用直接面对二进制地址,那场景简直让人崩溃。

要注意的是,虽然变量名、函数名、字符串名和数组名在本质上是一样的,它们都是地址的助记符,但在编写代码的过程中,我们认为变量名表示的是数据本身,而函数名、字符串名和数组名表示的是代码块或数据块的首地址。

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