C语言中的指针解读
2023-08-11
指针无疑是一个难点。但是，我觉得指针也是C语言特别重要的一个特性。也许，你在除了C和C++以外的编程语言中，很少看到指针。而C++中，也多用引用，而非指针。指针，作为一种高效的工具，可谓是一把双刃剑——用得好，可以大大提高程序效率，但用的不好，就是很多bug的滋生地。下面是指针相关的知识，欢迎阅读。
这或许也是人们对指针褒贬不一的原因吧。就我个人而言，我还是很喜欢这个特性，因为我需要经常和硬件以及一些底层的软件打交道。这个时候，指针便体现出它独特的魅力。指针的知识很多，有一本经典的书叫《C和指针》，如果有兴趣可以读一读。这里，我主要总结一些如何去解读指针(说实话这个东西实在是很容易让人困惑)的方法，一方面给自己做查询用，另一方面，希望可以给别人一些帮助。
一，基本概念
关于指针的基本概念，我就不详细介绍了，因为有许多书都介绍的很详细。这里我只介绍一部分。指针指向一个地址，而指针本身在大多数系统上都是一个无符号整数(在32bit机上是4byte，在64bit机上是8byte)。下面用一个例子来说明其机制：
在上面的例子中，先定义了一个指针p，它的类型是int，也就是说它只能指向一个int型的变量，而不能指向其他类型的变量。最后我们将a变量的地址赋给p。在这个过程中，涉及到两个内存块，一个是存放指针p的内存(用&p可得到内存地址)，一个是存放a的值的内存块(用&a可以得到内存地址)。而第一个内存存的p的值经过赋值语句后也就是&a的值了。另外一个注意点是， *(星号)和变量类型以及变量名之间可以有任意个空格，也可以没有。比如下面三种方式都是一样的：
int a = 10;
int *p; //声明一个指针，但未初始化，此时为野指针
p = &a; //将a变量的地址赋给指针p
在上面的例子中，先定义了一个指针p，它的类型是int，也就是说它只能指向一个int型的变量，而不能指向其他类型的变量。最后我们将a变量的地址赋给p。在这个过程中，涉及到两个内存块，一个是存放指针p的内存(用&p可得到内存地址)，一个是存放a的值的内存块(用&a可以得到内存地址)。而第一个内存存的p的值经过赋值语句后也就是&a的值了。另外一个注意点是， *(星号)和变量类型以及变量名之间可以有任意个空格，也可以没有。比如下面三种方式都是一样的：
int* a;
int * a;
int *a;
解读方法:
首先从标示符开始阅读，然后往右读，每遇到圆括号的右半边就调转阅读方向。重复这个过程直到整个声明解析完毕。需要注意的是，已经读过的部分在后续作为一个整体来看。
看下面一个例子：
int *a[3];
//首先a右边是[]，说明a是一个具有3个元素的数组
//右边读完，则读左边。a左边是int*，说明a的元素是int类型的指针
int (*a)[3]
//首先，a右边是圆括号的右半边，转向，左边是一个*，说明a是一个指针
//遇到括号，再转向，是一个[]，说明a是一个指向3个元素的数组的指针
//左边是int，说明元素类型是int
//所以，a是一个指向具有3个整型元素的数组的指针
int (*func)(int p);
//相同的方法，func首先是一个指针
//然后右边是一个括号，说明(func)是个函数，而func是指向这个函数的指针
//这个函数具有int类型的参数，返回值类型为int
int (*func[3])(int p);
//同理，func首先是一个具有3个元素的数组
//其次，func左边是一个*，说明func数组的元素是指针。要注意修饰的是func[3]，而不是func。因为已经读过的部分在后面都作为一个整体来对待
//跳出第一个圆括号，右边又是一个圆括号，说明func数组的元素是函数类型的指针。这个函数具有int类型的参数和int型返回值
二，数组首地址a，&a，&a[0]
注：a，&a，&a[0]的含义虽然不同，但是他们三个的.值是相等的!
以int a[3]为例说明：
a作为右值时，代表数组首元素的首地址，而非数组地址。 也就是a[0]的地址。int i = (a+1)，这里a是右值，所以代表首元素的首地址，a+1代表下一个元素的首地址，即&a[1]。
a是整个数组的名字。所以sizeof(a)的值为sizeof(int) * 3 = 40，代表整个数组的大小。
&a即为取a的首地址，也即整个数组的首地址。所以sizeof(&a) = 4。 int p = (int)(&a+1)中的&a+1代表下一个数组的首地址，显然是越界的。
&a[0]代表首元素的首地址。 所以sizeof(&a[0]) = 4。
&a[3]，很显然数组越界了，但它的sizeof是多少呢? 也是4，因为关键字sizeof求值是在编译的时候，虽然并不存在a[3]这个元素，但是这里并没有真正访问a[3]，而是根据数组元素类型来确定其值的。所以sizeof(a[3])不会出错。
a[-1]代表什么意思?首先要明白下标的形式被编译器解析成指针的形式，即a[1]被解析成(a+1)。那么，a[-1]被解析成*(a-1)。
关于数组首元素的首地址和数组的首地址的区别：其实，数组首元素的首地址和数组首地址的值是相同的，即&a[0]和a(以及&a)是相等的，但是而这含义不一样。首元素的首地址加1后，是第二个元素的首地址(之所以一直说首地址，是因为有的类型存储时会占多个地址)，但数组的首地址加1后是“下一个数组的地址”，这里的下一个数组只是为了说明加1时加了整个数组的大小，而不是一个元素的大小。
有一点比较容易混淆：a虽然代表整个数组，但(a+1)却代表下一个元素的首地址，即和(&a[0]+1)一样，下一个数组的形式为：(&a+1)。 下面以一个程序来说明：
#include
int main()
int a[3] = 1, 2, 3;
printf("%ld ",sizeof(long unsigned int));
printf("*(a+1)=%d ",*(a+1));
printf("sizeof(a)=%ld ", sizeof(a));
printf("sizeof(&a[3])=%ld ", sizeof(&a[3]));
printf("a[-1]=%d *(a-1)=%d ",a[-1],*(a-1));
printf("a=%p &a=%p &a[0]=%p ",a, &a,&a[0]);
printf("a=%p (a+1)=%p (&a+1)=%p ",a,(a+1),(&a+1));
return 0;
输出结果：
8
*(a+1)=2
sizeof(a)=12
sizeof(&a[3])=8
a[-1]=0 *(a-1)=0
a=0x7fffcb4cb980 &a=0x7fffcb4cb980 &a[0]=0x7fffcb4cb980
a=0x7fffcb4cb980 (a+1)=0x7fffcb4cb984 (&a+1)=0x7fffcb4cb98c
说明(下面的行数只计算main函数内有代码的行)：
程序第1行定义了一个具有3个元素的整型数组。
第2行打印了long型的大小。因为我是64bit的，所以一个long是8byte。
第3行打印了*(a+1)的值，结果和a[1]的值相等。说明a虽然代表整个数组，但作为右值时，的确代表首元素的首地址。
第4行输出值为12，是整个数组的大小。
第5行打印了一个出界元素的大小，没有报错，验证了上面第5条。
第6行打印了a[-1]和*(a-1)，输出值相等。验证了上面第6条。
第7行打印了a和&a[0]，值相等。说明数组的首地址和首元素的首地址是相等的。
第8行打印了a，(a+1)，(&a+1)，由结果就可以看出首元素的首地址加1是加了一个数组元素的大小，而数组首地址加1是加了一个数组的大小。
三，指针数组和数组指针
指针数组： 首先它是一个数组，数组的元素是指针，也成为“存储指针的数组”。
数组指针： 首先它是一个指针，它指向一个数组，也可以理解为“数组的指针”。 也可以利用前面的“解读方法”去分析。
四，函数指针和指针函数
函数指针： 指向函数的指针变量。
指针函数： 带指针的函数，也就是返回指针的函数。
char * fun(char* a, char* b) //定义为指针函数
...
...
int main()
char* (*p)(char* p1, char* p2); //定义函数指针
p = &fun; //把函数地址赋给它
//p = fun; //这样写也行
(*p)("aa", "bb"); //使用函数指针
return 0;
四，指针常量和常量指针
const char* p1; //常量指针，指向常量的指针
char const* p2; //同上
char* const p3; //指针常量，指针是常量
怎么记?
可以先把类型名去掉，然后看const离谁近，就修饰谁。
也可以const在*左边的为常量指针，const在*右边的为指针常量。
五、万x钥匙
其实，关于“指针数组与数组指针、函数指针与指针函数、指针常量与常量指针”的判断，有一个万能x匙。那就是根据我们强大的中文语法：前边是修饰词，后边才是主语。比如“指针数组”，前面的指针只是修饰词，后面的数组才是主语，所以它是一个数组。
六，野指针
野指针指没有确定指向的指针。造成野指针的情况有：
1. 指针变量创建但没有初始化。
2. 指针p被free或者之后，没有置为NULL。