深入理解指针（1）

目录：

1. 内存和地址

2. 指针变量和地址

3. 指针变量类型的意义

4. const修饰指针

5. 指针运算

6. 野指针

7. assert断⾔

8. 指针的使⽤和传址调用

1. 内存和地址

1.1 内存

在讲内存和地址之前，我们想有个⽣活中的案例： 假设有⼀栋宿舍楼，把你放在楼⾥，楼上有100个房间，但是房间没有编号，你的⼀个朋友来找你玩， 如果想找到你，就得挨个房⼦去找，这样效率很低，但是我们如果根据楼层和楼层的房间的情况，给 每个房间编上号，如：

⼀楼：101，102，103...

⼆楼：201，202，203...

...

有了房间号，如果你的朋友得到房间号，就可以快速的找房间，找到你。

如果把上面的例⼦对照到计算机中，又是怎么样呢？ 我们知道计算机上CPU（中央处理器）在处理数据的时候，需要的数据是在内存中读取的，处理后的 数据也会放回内存中，那我们买电脑的时候，电脑上内存是8GB/16GB/32GB等，那这些内存空间如 何⾼效的管理呢？

其实也是把内存划分为⼀个个的内存单元，每个内存单元的大小取1个字节。

计算机中常见的单位（补充）：

⼀个比特位可以存储⼀个2进制的位1或者0

bit - ⽐特位                                        1Byte = 8bit

Byte - 字节                                        1KB = 1024Byte

KB                                                     1MB = 1024KB       

MB                                                     1GB = 1024MB

GB                                                      1TB = 1024GB

TB                                                       1PB = 1024TB

PB                                                        

其中，每个内存单元，相当于⼀个学⽣宿舍，⼀ 个字节空间⾥⾯能放8个⽐特位，就好⽐同学们住 的⼋⼈间，每个⼈是⼀个⽐特位。 每个内存单元也都有⼀个编号（这个编号就相当 于宿舍房间的门牌号），有了这个内存单元的编 号，CPU就可以快速找到⼀个内存空间。

⽣活中我们把⻔牌号也叫地址，在计算机中我们 把内存单元的编号也称为地址。C语⾔中给地址起 了新的名字叫：指针。

所以我们可以理解为： 内存单元的编号 == 地址 == 指针。

1.2 究竟该如何理解编址 

CPU访问内存中的某个字节空间，必须知道这个 字节空间在内存的什么位置，⽽因为内存中字节 很多，所以需要给内存进⾏编址(就如同宿舍很 多，需要给宿舍编号⼀样)。 计算机中的编址，并不是把每个字节的地址记录 下来，⽽是通过硬件设计完成的。 钢琴、吉他 上⾯没有写上“剁、来、咪、发、 唆、拉、西”这样的信息，但演奏者照样能够准 确找到每⼀个琴弦的每⼀个位置，这是为何？因 为制造商已经在乐器硬件层⾯上设计好了，并且 所有的演奏者都知道。本质是⼀种约定出来的共识！

⾸先，必须理解，计算机内是有很多的硬件单 元，⽽硬件单元是要互相协同⼯作的。所谓的协 同，⾄少相互之间要能够进⾏数据传递。 但是硬件与硬件之间是互相独⽴的，那么如何通 信呢？答案很简单，⽤"线"连起来。 

而CPU和内存之间也是有⼤量的数据交互的，所 以，两者必须也⽤线连起来。 不过，我们今天关⼼⼀组线，叫做地址总线。硬件编址也是如此 我们可以简单理解，32位机器有32根地址总线， 每根线只有两态，表示0,1【电脉冲有⽆】，那么 ⼀根线，就能表⽰2种含义，2根线就能表⽰4种含 义，依次类推。32根地址线，就能表⽰2^32种含 义，每⼀种含义都代表⼀个地址。 地址信息被下达给内存，在内存上，就可以找到 该地址对应的数据，将数据在通过数据总线传⼊CPU内寄存器。

2. 指针变量和地址

2.1 取地址操作符（&）

理解了内存和地址的关系，我们再回到C语⾔，在C语⾔中创建变量其实就是向内存申请空间，⽐如：

比如，上述的代码就是创建了整型变量a，内存中 申请4个字节，⽤于存放整数10，其中每个字节都 有地址，上图中4个字节的地址分别是：

那我们如何能得到a的地址呢？这⾥就得学习⼀个操作符(&)-取地址操作符

变量在内存中的存储

虽然整型变量占⽤4个字节，我们只要知道了第⼀个字节地址，顺藤摸⽠访问到4个字节的数据也是可行的。

2.2 指针变量和解引⽤操作符（*）

2.2.1 指针变量

那我们通过取地址操作符(&)拿到的地址是⼀个数值，比如：0x006FFD70，这个数值有时候也是需要 存储起来，⽅便后期再使⽤的，那我们把这样的地址值存放在哪⾥呢？答案是：指针变量中。 比如：

指针变量也是⼀种变量，这种变量就是⽤来存放地址的，存放在指针变量中的值都会理解为地址。

2.2.2 如何拆解指针类型

int a = 10;

int * pa = &a;

这⾥pa左边写的是 int* ， * 是在说明pa是指针变量，而前⾯的 int 是在说明pa指向的是整型(int) 类型的对象。

 

那如果有⼀个char类型的变量ch，ch的地址，要放在什么类型的指针变量中呢？

char ch = 'w';

pc = &ch;

//pc 的类型怎么写呢？  

2.2.3 解引⽤操作符 

我们将地址保存起来，未来是要使⽤的，那怎么使⽤呢？

在现实⽣活中，我们使⽤地址要找到⼀个房间，在房间⾥可以拿去或者存放物品。

C语⾔中其实也是⼀样的，我们只要拿到了地址（指针），就可以通过地址（指针）找到地址（指针） 指向的对象，这⾥必须学习⼀个操作符叫解引⽤操作符(*)。

上⾯代码中第7⾏就使⽤了解引⽤操作符， *pa 的意思就是通过pa中存放的地址，找到指向的空间， *pa其实就是a变量了；所以*pa = 0，这个操作符是把a改成了0.

这⾥如果⽬的就是把a改成0的话，写成 a = 0; 不就完了，为啥⾮要使⽤指针呢？其实这⾥是把a的修改交给了pa来操作，这样对a的修改，就多了⼀种的途径，写代码就会更加灵活， 后期慢慢就能理解了。  

2.3 指针变量的大小

前⾯的内容我们了解到，32位机器假设有32根地址总线，每根地址线出来的电信号转换成数字信号后 是1或者0，那我们把32根地址线产⽣的2进制序列当做⼀个地址，那么⼀个地址就是32个bit位，需要4 个字节才能存储。

如果指针变量是⽤来存放地址的，那么指针变的⼤⼩就得是4个字节的空间才可以。

同理64位机器，假设有64根地址线，⼀个地址就是64个⼆进制位组成的⼆进制序列，存储起来就需要 8个字节的空间，指针变量的大小就是8个字节。

X64环境输出结果 

X86环境输出结果

结论：

• 32位平台下地址是32个bit位，指针变量⼤⼩是4个字节

• 64位平台下地址是64个bit位，指针变量⼤⼩是8个字节

• 注意指针变量的⼤⼩和类型是⽆关的，只要指针类型的变量，在相同的平台下，⼤⼩都是相同的。

3. 指针变量类型的意义

指针变量的大小和类型⽆关，只要是指针变量，在同⼀个平台下，大小都是⼀样的，为什么还要有各 种各样的指针类型呢？

其实指针类型是有特殊意义的，我们接下来继续学习。

3.1 指针的解引用

对比，下⾯2段代码，主要在调试时观察内存的变化。

调试我们可以看到，代码1会将n的4个字节全部改为0，但是代码2只是将n的第⼀个字节改为0。

 结论：指针的类型决定了，对指针解引⽤的时候有多⼤的权限（⼀次能操作⼏个字节）。

⽐如： char* 的指针解引⽤就只能访问⼀个字节，⽽ int* 的指针的解引⽤就能访问四个字节。  

3.2 指针+-整数

我们可以看出， char* 类型的指针变量+1跳过1个字节， int* 类型的指针变量+1跳过了4个字节。 这就是指针变量的类型差异带来的变化。指针+1，其实跳过1个指针指向的元素。指针可以+1，那也可 以-1。

结论：指针的类型决定了指针向前或者向后⾛⼀步有多大（距离）。 

3.3 void* 指针

在指针类型中有⼀种特殊的类型是 void * 类型的，可以理解为无具体类型的指针（或者叫泛型指 针），这种类型的指针可以⽤来接受任意类型地址。但是也有局限性， void* 类型的指针不能直接进行指针的+-整数和解引用的运算。

在上⾯的代码中，将⼀个int类型的变量的地址赋值给⼀个char*类型的指针变量。编译器给出了⼀个警告（如下图），是因为类型不兼容。⽽使⽤void*类型就不会有这样的问题。

VS2022编译的结果

使⽤void*类型的指针接收地址：

 VS编译代码的结果：

VS2022编译的结果

这⾥我们可以看到， void* 类型的指针可以接收不同类型的地址，但是无法直接进行指针运算。

那么 void* 类型的指针到底有什么⽤呢？

⼀般 void* 类型的指针是使⽤在函数参数的部分，⽤来接收不同类型数据的地址，这样的设计可以 实现泛型编程的效果。使得⼀个函数来处理多种类型的数据，在《深⼊理解指针(4)》中我们会讲解。