漫谈C语言指针

Posted 2022-12-06 半岛铁盒里的猫

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C内存与指针：
漫谈C语言内存管理
漫谈C语言指针（一）
漫谈C语言指针（二）
漫谈C语言指针（三）

上一篇漫谈C语言指针（二） 主要讲了指针和数组的关系、字符串指针、指针变量作为函数参数，就像电影最后进入高潮一样，接下来，指针的内容将进入深水区，大家坐稳扶好，马上出发~

今天要讲的内容有：二级指针、二维数组、指针数组、函数指针、函数指针数组、结构体指针。为什么说的深水区呢？因为前面的2篇只要看懂概念基本就能学会，但是这一章，概念开始变绕，不再平坦，甚至有点花俏，所以需要消费一些脑细胞才可以理解，不过不用担心，我对我的表达有自信（看不懂也勿喷。。）

二级指针

二级指针，顾名思义，就是指针的指针，一个指针指向另一个指针，即指针存放的数值是另一个指针的地址。

假设有一个 int 类型的变量 a，p1是指向 a 的指针变量，p2 又是指向 p1 的指针变量，它们的关系如下图所示：

用代码定义就是：

int a =5;
int *p1 = &a;
int **p2 = &p1;

以此类推还有多级指针，但一般用到二级指针，更多级的指针很少用到。
那二级指针的作用是什么呢？

在函数内部修改函数外部一个指针的指向：

在漫谈C语言指针（一） 中的“通过指针在函数内部修改函数外部变量值”章节讲过，要在函数内改变函数外定义的变量的数值，要通过指针来传参，那以此类推，二级指针的一个作用就是通过二级指针传参，在函数内部修改函数外部一个指针的指向。

比如：

void secondPointer(int **a) 
    int *p = static_cast<int *>(malloc(sizeof(int)));//用malloc保证离开函数后内存不会释放
    *p = 5;
    *a = p;//改变a函数外传入的二级指针指向的指针的指向
    printf("secondPointer *a %#X\\n", *a);


int main() 
    int i = 10;
    int *a = &i;
    printf("before secondPointer a %#X\\n", a);//改变a之前的指向之前a的指向地址

    secondPointer(&a);
    printf("after secondPointer a %#X\\n", a);//改变a之后的指向之前a的指向地址
    printf("after secondPointer *a %d\\n", *a);//改变a之前的指向之前a的指向地址

运行结果：

before secondPointer a 0X62FE1C
secondPointer *a 0XDB1C40
after secondPointer a 0XDB1C40
after secondPointer *a 5

可以看到通过secondPointer函数的处理，a成功指向了5（即函数中p指向的变量），地址也发生了改变。

二维数组

二级指针的另一个常用的作用，就是对二维数组的操作。

先说下二维数组，简单来说就是数组的数组，每个数组元素都是一个数组，在概念上是二维的，有行和列，但在内存中所有的数组元素都是连续排列的，它们之间没有“缝隙”。以下面的二维数组 a 为例：

int a[3][4] = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ;

从概念上理解，a 的分布像一个矩阵：

0   1   2   3
4   5   6   7
8   9  10  11

但在内存中，a 的分布是一维线性的，整个数组占用一块连续的内存：

C语言中的二维数组是按行排列的，也就是先存放 a[0] 行，再存放 a[1] 行，最后存放 a[2] 行；每行中的 4 个元素也是依次存放。数组 a 为 int 类型，每个元素占用 4 个字节（假设当前环境int占用4字节），整个数组共占用 4×(3×4) = 48 个字节。

首先要引入数组指针的概念，即指向数组的指针，定义如下：

int (*p)[4] = &a;//数组指针p指向数组a

与数组名不同的是，数组名在表达式中表示的是数组第一个元素的首地址，所以对数组名算术运算的步长是数组元素的长度，而数组指针的步长是真整个数组的大小（如果对步长不理解，请看：漫谈C语言指针（一） 指针算术运算一节）：

int a[] = 1,2,3,4,5,6;
    int (*p)[6] = &a;
    printf("secondPointer sizeof(int) %d\\n", sizeof(int));
    printf("secondPointer p %#X\\n", p);
    printf("secondPointer p+1 %#X\\n", p+1);

运行结果：
secondPointer sizeof(int) 4
secondPointer p 0X62FE00
secondPointer p+1 0X62FE18

注意到 p+1比p大了24字节（10进制），刚好是6个int类型元素的大小。

C语言允许把一个二维数组分解成多个一维数组来处理。对于数组 a，它可以分解成三个一维数组，即 a[0]、a[1]、a[2]。每一个一维数组又包含了 4 个元素，例如 a[0] 包含 a[0][0]、a[0][1]、a[0][2]、a[0][3]。

假设数组 a 中第 0 个元素的地址为 1000，那么每个一维数组的首地址如下图所示：

在漫谈C语言指针（二） 中说过，一维数组a的数组名在表达式中指向数组首元素首地址，指向的类型是数组元素类型。以此类推，上图的二维数组a,a指向第一个元素（即数组a[0]，这里a[n]表示第n个数组（第n行）），因为a作为指针指向的类型为数组，所以步长为数组的长度，在这里即为4*sizeof（int）。而因为a[n]表示第n个数组，所以a[n]本身可以看作第n个数组的数组名，即a[n]本身是一个指向第n个数组的首元素首地址的指针，指向的类型为第n个数组的元素类型，所以步长为数组元素类型大小，在这里即为sizeof（int）。

 int a[3][4] =  0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ;
    printf("sizeof(*(a)):%d\\n", sizeof(*a));//求出a指向的数据的大小
    printf("a:%d\\n", a);
    printf("a+1%:d\\n", a+1);//求a的步长（其实和sizeof(*a)一样大）

    printf("sizeof(*a[0]):%d\\n", sizeof(*a[0]));//求出a[0]指向的数据的大小
    printf("a[0]:%d\\n", a[0]);
    printf("a[0]+1:%d\\n", a[0]+1);//求a[0]的步长（其实和sizeof(*a[0])一样大）

    printf("&a:%d\\n", &a);//要记得数组名在&符号的时候不会转化为指针，所以是对数组取地址
    printf("&a+1:%d\\n", &a+1);//看下&a的步长

运行结果：
sizeof(*(a)):16
a:6487536
a+1%:d
sizeof(*a[0]):4
a[0]:6487536
a[0]+1:6487540
&a:6487536
&a+1:6487584

可以看出，a和a[0]指向的地址都是整个二维数组第一个数组的第一个元素的首地址，但是a步长是16，即指向的类型是int[4]，而a[0]步长为4，即指向类型为int。

根据结果可以进一步可以推导出，a+n指向的是第n+1个数组的首元素首地址，指向的类型是一个一维数组，所以(a+n)表示的是一个数组。a[x]+y指向的是第x+1数组第y+1个元素首地址，指向类型是一个数组元素，又因为之前讲过a[x]等同于(a+x)，又因为a[x]+y相当于一维数组a[x]偏移了y个步长，即a[x]+y等价于*（(a+x)+y），表示的是一个数组元素**。
总结下就是：
a[i] ==(a+i)
a[i][j] == * (a[i]+j) == * (*(a+i)+j)

从而进一步可以优化二维数组的遍历：

int a[3][4] =  0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ;

for(int i=0; i<3; i++)
   for(int j=0; j<4; j++)
      printf("value :%d\\n",*(*(a+i)+j));

另外从运行结果可以看出，&a+1的地址比&a大了48，正好是12*sizeof(int)，也就是整个数组a占用的空间大小，这个和漫谈C语言指针（二） 说的一维数组一致

指针数组

指针数组，顾名思义，指针的数组，即数组的元素为指针。

首先要注意的是指针数组的定义：
前面将的数组指针的定义是：

int (*p)[2];

这里因为[]优先级高于 ，所以加了()，让和p先结合成一个指针，然后才和[]结合使指针指向数组。

而指针数组的定义为：

int *p[2];

没错，只是少了个()，概念就完全不同，让p先和[]结合，所以p是个数组，然后和*结合，指明数组元素类型为指针。

指针数组可以定义如下：

int a = 1, b = 2, c = 3;
//定义一个指针数组
int *arr[3] = &a, &b, &c;//创建一个指针数组

之前我们说数组名在表达式中会转化为指向数组首元素的指针，那指针数组的数组名也一样会在表达式中转化为指针，该指针自然也是指向数组首元素，而数组首元素是指针，所以这个数组名转化的指针就顺理成章成为了一个二级指针。

因为数组名arr转化为二级指针，所以要加2个**来取值：

int a = 1, b = 2, c = 3;
//定义一个指针数组
int *arr[3] = &a, &b, &c;//创建一个指针数组
printf("%d, %d, %d\\n", **(arr+0), **(arr+1), **(arr+2));//因为数组名arr转化为二级指针，所以要加2个**来取值

运行结果：
1, 2, 3

指针数组常用的一个地方莫过于和字符串数组的使用：

 char *str[3] = 
            "man",
            "woman",
            "pig"
    ;

记住这里str必须是一个指针数组，因为在字符串本身存储在常量区，在表达式中会转化为一个指向char的指针（首字符地址）。

所以在读取字符创数组的某个字符串的某个字符的时候，往往使用二级指针去操作,比如打印出上面str中第二个字符串的第4个字符：

printf("%c\\n", *(*(str+1)+3));//*（str+1）是得到"woman"的首地址，*(*(str+1)+3))是"woman"的首地址偏移3个char之后，再取值，即‘a’。

运行结果：
a

函数指针

一个数组占用一段连续的内存区域，一个函数同样也占用一段连续的内存区域，在C语言的设计中，也和数组一样，函数名也可以代表函数的首地址~~那么，让一个指针去持有函数的首地址也变得顺理成章了，这个指针，理所当然就叫做函数指针。

函数指针的定义如下：

int(*p)(int, int);

这个语句就定义了一个指向函数的指针变量 p。首先它是一个指针变量，所以要有一个“ * ”，即（ * p）；
其次前面的 int 表示这个指针变量可以指向返回值类型为 int 型的函数；后面括号中的两个 int 表示这个指针变量可以指向有两个参数且都是 int 型的函数。所以合起来这个语句的意思就是：定义了一个指针变量 p，该指针变量可以指向返回值类型为 int 型，且有两个整型参数的函数。

该指针p指向的类型就是int (int，int)函数（是的，把函数也看做一个类型，由入参和返回值决定）

总结下通用格式就是：
函数返回值类型 ( 指针变量名) (函数参数列表);*

那么函数指针的意义是什么呢？
熟悉Java的童鞋一定知道回调接口这个东西，当我们在一个方法或者类中有一段逻辑需要由外部传入的时候，经常会用回调接口，熟悉kotlin的童鞋一定知道函数在kotlin中是可以作为成员变量和参数的，那么在C中函数指针的作用是很类似的。

比如calculate是一个计算的函数，但是具体怎么计算需要外部传入，这里函数指针p作为这个传入的参数表示某一个计算具体逻辑：

/**
 * 加法运算
 * @param a 
 * @param b 
 * @return 
 */
int plus(int a,int b)
    return a+b;


/**
 * 减法运算
 * @param a 
 * @param b 
 * @return 
 */
int sub(int a,int b)
    return a-b;


/**
 * 计算函数，但具体方式由传入的函数p决定
 * @param a
 * @param b
 * @param p
 * @return
 */
int calculate(int a,int b,int (*p)(int,int))
    return p(a,b);


int main() 
    int a = 2;
    int b = 1;
    //此时决定calculate具体的计算方式
    printf("calculate plus %d\\n", calculate(a,b,plus));
    printf("calculate plus %d\\n", calculate(a,b,sub));

运行结果：
calculate plus 3
calculate plus 1

结构体指针：

在看过前面几篇文章之后，这个其实就是指向一个结构体对象的指针，和Java的引用如出一辙，很容易理解。

假如有一只猫的结构体：

struct Cat
        int head;//猫头
        int tail;//猫尾
    ;

    Cat cat;
    cat.head = 5;
    Cat* c = &cat;
    printf("c->head: %d\\n", c->head);

（其实也没什么好讲的，只是把基本类型改为结构体类型，这对熟悉面向对象语言的童鞋来说太easy了~~）

不过这里重点要讲个有意思的东西，这也是解释为什么指针是个强大而危险的工具的一个例子：

原本cat.tail是int类型，但是假如我们闲的蛋疼试试这样强转cat.tail的指针类型，然后再对转化后的指针取值获取其head的值，会发生什么事呢：

((Cat*)&(cat.tail))->head=12;
printf("&(cat.head): %d\\n", &(cat.head));//为了更好说明，打印出head地址
printf("&(cat.tail): %d\\n", &(cat.tail));//为了更好说明，打印出tail地址
  
printf("cat.head: %d\\n", cat.head);
printf("cat.tail: %d\\n", cat.tail);

运行结果：
&(cat.head): 6487572
&(cat.tail): 6487576
cat.head: 0
cat.tail: 12

为什么打印出来会是cat.head: 0，cat.tail: 12？明明是给head赋值了12的。
结果是不是有点神奇，再缕下我们做了啥。

((Cat*)&(cat.tail))->head=12;

这行代码中，首先我们给了计算机一个猫尾巴（cat.tail），然后又告诉计算机，把这尾巴当做一个猫来看待！再给这只猫的头赋值12，然后计算机开始晕车了，猫头猫尾早已分不清。。

如果你真的理解了漫谈C语言指针（一） 中谈到的指针步长，那应该不难知道原因。因为其实计算机根本不管你给的是猫还是狗，它只管内存，这里给的结构体Cat,对于计算机来说就是开辟了一段内存空间，而计算机当然也不会理解head和tail是什么，只知道这是Cat开辟的内存内部的2段内存空间，

通过观察运行结果中head和tail的地址，可以看出，head和tail是在一块连续的内存中的，像这样：

当&(cat.tail)操作是，指针指向是这样的：

关键点来了，当强转指针类型的时候，(Cat*)&(cat.tail)，计算机把Cat当做上方蓝色部分的：

此时执行((Cat*)&(cat.tail))->head=12;，计算机已经把真正的tail当做head了，所以表面上是赋值给head，其实那是假的，真正的Cat是赋值给了tail，所以printf(“cat.tail: %d\\n”, cat.tail);打印出来才是12。

类似的例子还可以看下数组：

int arr[5];
arr[3] = 1 << 16;
**((short*)arr)[6] = 2;**//关键，对arr指针进行强转为short类型，然后指针往前偏移6个步长
printf("arr[3]: %d\\n", arr[3]);

打印结果怎样呢？

运行结果：
arr[3]: 65538

经过了结构体的例子，大家应该可以推测出原因了。

在运行了arr[3] = 1 << 16;之后，在内存中的状态是：

而执行了((short*)arr)[6] 指针强转之后，在计算机眼里，arr变成了：

（当前环境是小端模式）

执行了((short*)arr)[6] = 2;之后：

执行printf(“arr[3]: %d\\n”, arr[3]);的时候，上图的2个小格子又合并起来，得到结果为65538（小端模式，所以右边的小格子是高位）

当然因为C语言数组是不做越界检查的，所以非常自由，还可以做如下骚操作：

int i = *(((short*)(&arr[-1]))+4);

这个大家基于上岸的例子应该能想到答案吧~~

之所以讲了上面几个骚味十足的操作，目的在于让大家可以真正从内存的角度看待指针，不要被表面所迷惑，一定要根据漫谈C语言指针（一） 中指针算术运算小节最后讲的灵魂拷问去研究指针相关问题，真正从本质理解指针。

关于C语言的博文暂时到这里，下一篇开始C++的博文：初尝C++的世界