深入淺出C指針與數(shù)組.doc

深入淺出C指針（一）基本概念 初學(xué)者在學(xué)習(xí)C語(yǔ)言時(shí)，通常會(huì)遇到兩個(gè)瓶頸，一個(gè)是“遞歸”，一個(gè)是“指針”。大學(xué)老師在講述這兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)通常都是照本宣科，而沒(méi)有站在一個(gè)初學(xué)者的角度來(lái)審視問(wèn)題，更沒(méi)有剖析其內(nèi)部機(jī)理。本人在此將發(fā)表一系列技術(shù)文章，希望能將C語(yǔ)言中“指針”這一概念講述清楚，希望初學(xué)者能從中收益。在此筆者也極力推薦Kenneth A.Reek寫(xiě)的Pointers On C這本書(shū)。1.內(nèi)存和地址初學(xué)者面對(duì)內(nèi)存一詞時(shí)總是有一種既陌生又熟悉的感覺(jué)。首先，在日常生活中大家總是會(huì)討論某某設(shè)備內(nèi)存有多大，是不是該加一個(gè)內(nèi)存條等等。但是，內(nèi)存究竟是什么？在此，筆者并不想深入探討內(nèi)存的本質(zhì)，以及內(nèi)存在不同操作系統(tǒng)上的結(jié)構(gòu)有什么區(qū)別等等這一系列問(wèn)題。這里只希望初學(xué)者知道以下三個(gè)問(wèn)題即可：（1）內(nèi)存是計(jì)算機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的地方（2）內(nèi)存被分割成了“無(wú)數(shù)”個(gè)小區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的大小在不同的環(huán)境下有所不同，可能是1個(gè)字節(jié)，2個(gè)字節(jié)，或者多個(gè)字節(jié)。（3）每個(gè)小區(qū)域都有一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的標(biāo)識(shí)，即我們后面所說(shuō)的地址（指針）。（4）每個(gè)小區(qū)中都有包含一個(gè)值，可以是整形，浮點(diǎn)型，字符型等等。我們可以形象的用下圖表示內(nèi)存的結(jié)構(gòu)：100 104 108 112 116| | | | |-(542) (3.14) (A) （12323） （-12）如圖所示，上方表示內(nèi)存的地址，下方括號(hào)中的內(nèi)容表示該地址下內(nèi)存中的值。我們想訪問(wèn)這些內(nèi)存中的值，只需要知道內(nèi)存地址即可。但是，我們?cè)趺粗牢覀円L問(wèn)的內(nèi)容其內(nèi)存地址是多少？的確，要記住這些內(nèi)存地址幾乎是不可能的，所以，編譯器可以讓我們用變量的形式訪問(wèn)他們，于是這張圖可以變成如下所示：total_count Pi m_ch money number| | | | |-(542) (3.14) (A) （12323） （-12）我們將內(nèi)存地址變成了我們更容易記住的變量，這樣我們?cè)诰帉?xiě)程序的時(shí)候就可以方便的訪問(wèn)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。但是，請(qǐng)記住，這只是編譯器幫助我們進(jìn)行了優(yōu)化，而真正編譯后的機(jī)器碼則是通過(guò)真正的內(nèi)存地址來(lái)訪問(wèn)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，即尋址，關(guān)于計(jì)算機(jī)的尋址過(guò)程，有興趣的讀者可以參考計(jì)算機(jī)組成原理或者匯編語(yǔ)言等書(shū)。2.值和類(lèi)型我們首先來(lái)看一下下面這幾個(gè)表達(dá)式：int total_count = 542;float Pi = 3.14;int *p1 = &total_count;char *p2 = &m_ch;前兩個(gè)表達(dá)式很好理解，我們申明了一個(gè)整形和一個(gè)浮點(diǎn)型變量，并分別賦值為542和3.14。那后面兩個(gè)表達(dá)式是什么意思呢？我們姑且可以簡(jiǎn)單記住：在申請(qǐng)變量的表達(dá)式中，如果類(lèi)型的后面出現(xiàn)了*號(hào)，那么這個(gè)變量就叫做指針，或者指針變量。指針變量分為很多種類(lèi)型，例如整形指針，浮點(diǎn)型指針，字符型指針等等。好了，我們知道了指針的概念，那么，指針到底是什么？指針也是變量，即指針變量，它和其他的變量在本質(zhì)上是沒(méi)有區(qū)別的。但是指針變量只能保存一種值，就是地址。也許你會(huì)問(wèn)了，既然指針保存的是地址，那么為什么要將指針?lè)譃槟敲炊嗟姆N類(lèi)，整形值要有整形指針，字符型值要有字符型指針？為什么不能用一種指針就把所有的地址都包含了呢？難道不同類(lèi)型變量的地址也不同嗎？這個(gè)問(wèn)題，本人沒(méi)有查閱過(guò)官方的解釋?zhuān)紫瓤梢钥隙?，?nèi)存地址在理論上是沒(méi)有任何區(qū)別的，無(wú)論是用來(lái)保存什么類(lèi)型變量的內(nèi)存，其本質(zhì)都是01Bit構(gòu)成的區(qū)域，內(nèi)存地址當(dāng)然也不會(huì)有任何區(qū)別，從純技術(shù)技術(shù)的角度上講，筆者認(rèn)為編譯器完全可以建立一種制度，用統(tǒng)一的指針類(lèi)型保存不同變量的地址，這完全不會(huì)影響程序的運(yùn)行。但是編譯器沒(méi)有這樣做的原因，筆者分析主要是出于安全性的考慮。當(dāng)程序員有意或無(wú)意的將兩種不同類(lèi)型的指針?biāo)赶虻膬?nèi)存內(nèi)容進(jìn)行賦值時(shí)，如果編譯器事先不能做出檢查，那么也許會(huì)在程序運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)異常，例如產(chǎn)生非常嚴(yán)重的緩沖區(qū)溢出錯(cuò)誤。3.指針的間接訪問(wèn)符好了，我們將問(wèn)題回到這幾個(gè)表達(dá)式上來(lái)。現(xiàn)在的問(wèn)題是p1和p2這兩個(gè)變量中保存的是什么。拿p1為例，也許你可以這樣理解，因?yàn)閜1是指針變量，所以他的值應(yīng)該和他指向的內(nèi)存中的值一樣，所以p1 = 542. 這樣理解看似非常符合邏輯，但卻是一個(gè)大的錯(cuò)誤。雖然p1很特殊，但是指針變量也是變量，它不會(huì)聰明到自動(dòng)去完成一個(gè)非常復(fù)雜的自動(dòng)間接訪問(wèn)操作。p1的值實(shí)際是100，即變量total_count的地址。但是讀者請(qǐng)注意，100并不是傳統(tǒng)意義上整形100，例如 int *p1 = 100;這是一個(gè)錯(cuò)誤的表達(dá)式，因?yàn)椴荒苤苯訉⒄沃蒂x值給指針變量，作如下變化即可 int *p1 = (int *)100; 也就是說(shuō)，如果我們輸出p1的值，打印出來(lái)將會(huì)是一串莫名其妙的數(shù)字。當(dāng)然，我們通常對(duì)這些莫名其妙的地址不感興趣，我們更感興趣的是這些地址背后影藏這怎樣的信息。所以我們可以這樣來(lái)訪問(wèn)int count = *p1;等等.讀者讀到這里也許有些糊涂了，int *p1 = &total_count; int count = *p1; 這么多的*號(hào)和&號(hào)也許讀者有些搞不清了。我們來(lái)理清一下思路。在int *p1 = &total_count;中：*p1只是一個(gè)標(biāo)識(shí)，代表p1是一個(gè)指針，以后訪問(wèn)這個(gè)指針時(shí)直接p1即可，訪問(wèn)得到的值是一個(gè)地址編碼。&total_count代表一個(gè)地址，在任意一個(gè)變量前（包括指針）加上&符號(hào)，都將代表這個(gè)變量所在內(nèi)存的地址。&p1則代表指針?biāo)趦?nèi)存的地址，即指針的指針（稍后詳細(xì)介紹）其實(shí)這么有什么可疑問(wèn)的，因?yàn)橹羔槺旧硪彩亲兞?，所以和其他變量本質(zhì)上沒(méi)有任何區(qū)別。在 int count = *p1;中,p1和前面說(shuō)的一樣，訪問(wèn)它的值是一個(gè)地址，而*號(hào)與之前的*號(hào)有些不同，之前的*號(hào)只是一個(gè)標(biāo)識(shí)，表示當(dāng)前申請(qǐng)的變量是一個(gè)指針，而這里的*號(hào)我們給它一個(gè)新的名字，叫指針的間接訪問(wèn)符。聽(tīng)起來(lái)有些別扭，簡(jiǎn)單地理解就是，在一個(gè)指針變量前加上*號(hào)則可以訪問(wèn)該指針?biāo)硎緝?nèi)存的實(shí)際值。這里可以教初學(xué)者一個(gè)小技巧，當(dāng)利理解一個(gè)和指針有關(guān)的語(yǔ)句是，“指針”和“地址”這兩個(gè)詞可以互換，初學(xué)者姑且可以認(rèn)為“指針”就是“地址”，“地址”就是“指針”，這樣理解不確切，但卻很實(shí)用。好了，下面讓我們看一個(gè)更復(fù)雜的例子：int *p1 = &total_count;int count2 = *(*(&p1);請(qǐng)讀者在10秒鐘之內(nèi)告訴我count2的值是多少。哈哈，好吧，讓我們來(lái)一點(diǎn)點(diǎn)分析。從括號(hào)最里面開(kāi)始：p1是一個(gè)指針，他的值是total_count的地址；&p1是一個(gè)地址，即指針p1的地址，我們用剛才的小技巧來(lái)看看，即地址p1地址，即指針p1的指針。*（&p1）是一個(gè)值，這個(gè)值是&p1表示的地址所在內(nèi)存的值實(shí)際上就是p1的值,&對(duì)p1進(jìn)行了一次引用操作，*對(duì)其再解引用，實(shí)際上沒(méi)有變化。此時(shí)*（&p1）的值為total_count的地址。*（*（&p1）為total_count的值，也就是542.到此，該表達(dá)式的分析結(jié)束，不過(guò)在實(shí)際編程中，沒(méi)有人會(huì)用如此復(fù)雜的表達(dá)式進(jìn)行編碼。4.指針的指針指針的指針，即地址的地址。第一個(gè)地址是狹義上的地址，該地址實(shí)際上已經(jīng)被“值”化，第二個(gè)地址是我們傳統(tǒng)意義上的地址。這句話理解起來(lái)有些困難，我們先來(lái)看看下面的表達(dá)式；int *p1 = &total_count;int *p2 = &p1;第一個(gè)表達(dá)式的意義我們已經(jīng)清楚了，我們申請(qǐng)了一個(gè)指針變量，或者說(shuō)是地址變量，它保存的是total_count的地址。第二個(gè)表達(dá)式我們來(lái)一步步分析，p1是一個(gè)指針，即一個(gè)地址，&為地址符，加起來(lái)就是地址的地址，或者說(shuō)指針的指針。而int *p2 我們可以這樣理解 int *X,我們定義了一個(gè)指針變量X ，X為*p2,即X也是一個(gè)指針變量，加起來(lái)的意思就是我們申請(qǐng)了一個(gè)p2指針變量，這個(gè)指針變量指向的也是一個(gè)指針變量。同理： int *p3 = &p2;int *p4 = &p3;.都是成立的表達(dá)式，不過(guò)在實(shí)際編碼中，遇到的最多情況是指針和指針的指針這兩種情況。深入淺出C指針（二）一維數(shù)組 1. 數(shù)組名我們看一下下面兩個(gè)聲明：int a;int b10;我們把變量a稱(chēng)為標(biāo)量，因?yàn)樗莻€(gè)單一的值。我們把變量b稱(chēng)為數(shù)組，因?yàn)樗且恍┲档募?。b0表示數(shù)組中的第一個(gè)數(shù)，b1表示數(shù)組中的第二個(gè)數(shù),以此類(lèi)推。我們知道b0的類(lèi)型是整形，那么，b的類(lèi)型是什么呢？它所表示的是什么呢？一個(gè)合乎邏輯的答案似乎是它表示整個(gè)數(shù)組，但事實(shí)并非如此。在C語(yǔ)言中，數(shù)組名永遠(yuǎn)代表一個(gè)指針常量，也就是數(shù)組第一個(gè)元素的地址，即 &b0。它的類(lèi)型取決于數(shù)組的類(lèi)型。注意，這里說(shuō)的是“指針常量”，而不是上一篇文章說(shuō)的“指針變量”。指針常量即不能改變指針?biāo)赶虻闹怠＜催@樣的代碼是錯(cuò)誤的：int number = 0;int a10 = 0;a = &number;a雖然是一個(gè)整形指針，但是他是一個(gè)指針常量，不能將其值改變。請(qǐng)不要根據(jù)數(shù)組名是指針這個(gè)事實(shí)得出指針和數(shù)組是相同的結(jié)論。數(shù)組具有一些和指針完全不同的特性。例如，數(shù)組具有確定的數(shù)量值，而指針只是一個(gè)標(biāo)量值。2.下標(biāo)引用在前面的聲明的上下文環(huán)境中，下面這個(gè)表達(dá)式是什么意思呢？*（b + 3）;首先，b的值是一個(gè)指向整形的指針常量。所以3這個(gè)值根據(jù)整形值得長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整。加法運(yùn)算的結(jié)果是另一個(gè)指向整形的指針,即 &b3。再通過(guò)*號(hào)對(duì)其解引用操作，相當(dāng)于*（&b3）或者直接表示為b3.我們姑且可以這樣認(rèn)為：除了優(yōu)先級(jí)順序不同外，下標(biāo)引用和指針間接訪問(wèn)完全相同。例如，下面這兩個(gè)表達(dá)式是等同的：arraysubsricpt*(array + (subsript) )讓我們看一個(gè)例子，鞏固復(fù)習(xí)一下剛才的知識(shí)int array10;int *ap = array + 2;在下面有關(guān)ap的表達(dá)式中，看看你能不能寫(xiě)出對(duì)應(yīng)的array表達(dá)式：ap ，這個(gè)很容易，&array2或者*(array + 2)*ap ,這個(gè)也很容易，相當(dāng)于對(duì)ap進(jìn)行解引用操作，相當(dāng)于array2或者*(array+2)ap0,將其轉(zhuǎn)化成為*（ap + 0）,即*ap，和上一個(gè)表達(dá)式等價(jià)。ap+6，這個(gè)表達(dá)式相當(dāng)于&array2+6或者*(array+2+6),即&array8或者*(array+8)*ap+6,小心，這里有兩個(gè)操作符，不過(guò)間接訪問(wèn)的優(yōu)先級(jí)高于加法操作，所以該式等價(jià)于array2+6ap6,你也許會(huì)疑問(wèn)？這是錯(cuò)的嗎？的確，在別的語(yǔ)言里他也許是錯(cuò)的，但是在C語(yǔ)言里他是正確的，我們說(shuō)過(guò)，C語(yǔ)言中的下表操作與指針間接訪問(wèn)操作完全相同，即*(ap+6)& ap,這個(gè)表達(dá)式是完全合法的，它表示ap指針的地址，即指針的指針。好了如果上面的問(wèn)題都難不倒你的話，拿來(lái)看看下面這個(gè)：2ap是的，你沒(méi)有看錯(cuò)，2ap,不是ap2.他的答案也許會(huì)令你大吃一驚：它是合法的。把它轉(zhuǎn)化成為對(duì)等的間接訪問(wèn)表達(dá)式，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)它的有效性：*(2 + （array）)內(nèi)層的括號(hào)是多余的，即他和*(array + 2)是等價(jià)的。3.關(guān)于指針和數(shù)組的效率在此筆者不想通過(guò)反匯編來(lái)實(shí)驗(yàn)數(shù)組與指針的效率，讀者暫時(shí)可以這樣記?。骸凹俣ㄟ@兩種方法都是正確的，下標(biāo)絕不會(huì)比指針更有效率，但是指針有時(shí)會(huì)比下標(biāo)更有效率”深入淺出C指針（三）多維數(shù)組 1.概念如果某個(gè)數(shù)組的維數(shù)不止1個(gè)，它就被稱(chēng)為多維數(shù)組。例如，下面這個(gè)聲明：int matrix610;創(chuàng)建了一個(gè)包含60個(gè)元素的矩陣。但是，它是6行每行10個(gè)元素，還是10行每行6個(gè)元素？為了回答這個(gè)問(wèn)題，你需要從一個(gè)不同的觀點(diǎn)視察多維數(shù)組。考慮下列這些維數(shù)不斷增加的聲明：int a;int b10;int c610;int d3610;a和b很好理解。c只是在b的基礎(chǔ)上在增加一維，所以我們把c看作是一個(gè)包含6個(gè)元素的向量，只不過(guò)他的每個(gè)元素本身又是一個(gè)包含10個(gè)元素的向量。換句話說(shuō)，c是一個(gè)一維數(shù)組的一維數(shù)組。d也是如此：它本身是一個(gè)含有3個(gè)元素的向量，而這三個(gè)元素中每個(gè)元素本身又是一個(gè)含有6個(gè)元素的向量，而這6個(gè)元素各自本身又是一個(gè)含有10個(gè)元素的向量。 2.存儲(chǔ)順序請(qǐng)記住，多維數(shù)組只是表示上的一種寫(xiě)法，而在實(shí)際的內(nèi)存空間存儲(chǔ)中，還是按照順序的存儲(chǔ)方式。例如：int25;在內(nèi)存中是按順序排列的10個(gè)小區(qū)域?？纯聪旅孢@個(gè)例子：int matrix610;int *mp;.mp = &matrix38printf(First value is %dn,*mp);printf(Second value is %dn,*+mp);printf(Third value is %dn,*+mp);很顯然，第一個(gè)被打印的值將是matrix38的內(nèi)容，那下一個(gè)被打印的又是什么？順序存儲(chǔ)可以回答這個(gè)問(wèn)題-下一個(gè)元素將是最右邊下標(biāo)首先變化的那個(gè)，也就是matrix39。再接下去又輪到誰(shuí)呢？第9列已是最后一列。不過(guò)，按順序存儲(chǔ)的規(guī)定，一行存滿后就輪到下一行，所以下一個(gè)被打印的元素將是matrix40。2.數(shù)組名一維數(shù)組的數(shù)組名是一個(gè)指針常量，這一點(diǎn)大家應(yīng)該已經(jīng)十分清楚了。它的類(lèi)型是“指向元素類(lèi)型的指針”，它指向數(shù)組元素的第一個(gè)元素。多維數(shù)組也差不多，但是這個(gè)“差不多”往往會(huì)給初學(xué)者帶來(lái)一定的誤導(dǎo)，多維數(shù)組的數(shù)組名，也是一個(gè)指針，這個(gè)指針指向的是該數(shù)組的第一個(gè)“元素”，這個(gè)“元素”也是一個(gè)數(shù)組。例如，下面這個(gè)聲明：int matrix310;接著看以下的表達(dá)式：matrix15這個(gè)很簡(jiǎn)單，該表達(dá)式表示這個(gè)數(shù)組的第二行，第六列所包含的元素。matrix + 1如果你認(rèn)為這個(gè)表達(dá)式指向了第一行的第二個(gè)元素，那么你就錯(cuò)了。實(shí)際上，這個(gè)表達(dá)式指向的是第二行整個(gè)數(shù)組，而不是任何一個(gè)元素。而*(matrix + 1)是一個(gè)指向第二行第一個(gè)元素的指針。*(*（matrix + 1）)表示了第二行第一個(gè)元素的具體值。其實(shí)就筆者感覺(jué)，C語(yǔ)言多維數(shù)組這樣的設(shè)計(jì)方式不是十分恰當(dāng)，這樣做和一維數(shù)組的規(guī)則沒(méi)有十分緊密的聯(lián)系起來(lái)，就易于理解而言，matrix + 1表示第一行的第二個(gè)元素更為容易理解一些。不過(guò)可能是出于編碼的簡(jiǎn)潔性考慮，C語(yǔ)言的發(fā)明人采用了這樣“自動(dòng)換行”的處理過(guò)程。小提示：在許多其他的語(yǔ)言，比如大家熟悉的C#中，多重下標(biāo)被寫(xiě)成用逗號(hào)分割的形式。比如：matrix3,4;如果你在C語(yǔ)言中這樣寫(xiě)會(huì)發(fā)生什么呢？你的第一感覺(jué)一定是：編譯錯(cuò)誤。不過(guò)很可惜，C語(yǔ)言可以讓這樣的表達(dá)式編譯通過(guò)（還記得2array嗎？C語(yǔ)言的靈活性是其他語(yǔ)言所不能比擬的）。這樣看上去沒(méi)有什么問(wèn)題，實(shí)際這樣的表達(dá)式運(yùn)行結(jié)果一定會(huì)和你預(yù)想的結(jié)果不一樣。C語(yǔ)言的逗號(hào)表達(dá)式會(huì)將其轉(zhuǎn)換成matrix3。如果編譯器