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解讀 C 語言中的指標

我想對很多學習C語言的新手來說,指標無疑是一個難點。但是,我覺得指標也是C語言特別重要的一個特性。也許,你在除了C和C++以外的程式語言中,很少看到指標。而C++中,也多用引用,而非指標。指標,作為一種高效的工具,可謂是一把雙刃劍——用得好,可以大大提高程式效率,但用的不好,就是很多bug的滋生地。

這或許也是人們對指標褒貶不一的原因吧。就我個人而言,我還是很喜歡這個特性,因為我需要經常和硬體以及一些底層的軟體打交道。這個時候,指標便體現出它獨特的魅力。指標的知識很多,有一本經典的書叫《C和指標》,如果有興趣可以讀一讀。這裡,我主要總結一些如何去解讀指標(說實話這個東西實在是很容易讓人困惑)的方法,一方面給自己做查詢用,另一方面,希望可以給別人一些幫助。

一,基本概念

關於指標的基本概念,我就不詳細介紹了,因為有許多書都介紹的很詳細。這裡我只介紹一部分。指標指向一個地址,而指標本身在大多數系統上都是一個無符號整數(在32bit機上是4byte,在64bit機上是8byte)。下面用一個例子來說明其機制:

在上面的例子中,先定義了一個指標p,它的型別是int,也就是說它只能指向一個int型的變數,而不能指向其他型別的變數。最後我們將a變數的地址賦給p。在這個過程中,涉及到兩個記憶體塊,一個是存放指標p的記憶體(用&p可得到記憶體地址),一個是存放a的值的記憶體塊(用&a可以得到記憶體地址)。而第一個記憶體存的p的值經過賦值語句後也就是&a的值了。另外一個注意點是, *(星號)和變數型別以及變數名之間可以有任意個空格,也可以沒有。比如下面三種方式都是一樣的:


在上面的例子中,先定義了一個指標p,它的型別是int,也就是說它只能指向一個int型的變數,而不能指向其他型別的變數。最後我們將a變數的地址賦給p。在這個過程中,涉及到兩個記憶體塊,一個是存放指標p的記憶體(用&p可得到記憶體地址),一個是存放a的值的記憶體塊(用&a可以得到記憶體地址)。而第一個記憶體存的p的值經過賦值語句後也就是&a的值了。另外一個注意點是, *(星號)和變數型別以及變數名之間可以有任意個空格,也可以沒有。比如下面三種方式都是一樣的:


解讀方法:


看下面一個例子:


二,陣列首地址a,&a,&a[0]

注:a,&a,&a[0]的含義雖然不同,但是他們三個的值是相等的!

以int a[3]為例說明:

  1. a作為右值時,代表陣列首元素的首地址,而非陣列地址。 也就是a[0]的地址。int i = (a+1),這裡a是右值,所以代表首元素的首地址,a+1代表下一個元素的首地址,即&a[1]。

  2. a是整個陣列的名字。所以sizeof(a)的值為sizeof(int) * 3 = 40,代表整個陣列的大小。

  3. &a即為取a的首地址,也即整個陣列的首地址。所以sizeof(&a) = 4。 int p = (int)(&a+1)中的&a+1代表下一個陣列的首地址,顯然是越界的。

  4. &a[0]代表首元素的首地址。 所以sizeof(&a[0]) = 4。

  5. &a[3],很顯然陣列越界了,但它的sizeof是多少呢? 也是4,因為關鍵字sizeof求值是在編譯的時候,雖然並不存在a[3]這個元素,但是這裡並沒有真正訪問a[3],而是根據陣列元素型別來確定其值的。所以sizeof(a[3])不會出錯。

  6. a[-1]代表什麼意思?首先要明白下標的形式被編譯器解析成指標的形式,即a[1]被解析成(a+1)。那麼,a[-1]被解析成*(a-1)。

關於陣列首元素的首地址和陣列的首地址的區別:其實,陣列首元素的首地址和陣列首地址的值是相同的,即&a[0]和a(以及&a)是相等的,但是而這含義不一樣。首元素的首地址加1後,是第二個元素的首地址(之所以一直說首地址,是因為有的型別儲存時會佔多個地址),但陣列的首地址加1後是“下一個陣列的地址”,這裡的下一個陣列只是為了說明加1時加了整個陣列的大小,而不是一個元素的大小。

有一點比較容易混淆:a雖然代表整個陣列,但(a+1)卻代表下一個元素的首地址,即和(&a[0]+1)一樣,下一個陣列的形式為:(&a+1)。 下面以一個程式來說明:


輸出結果:


說明(下面的行數只計算main函式內有程式碼的行):

  1. 程式第1行定義了一個具有3個元素的整型陣列。

  2. 第2行列印了long型的大小。因為我是64bit的,所以一個long是8byte。

  3. 第3行列印了*(a+1)的值,結果和a[1]的值相等。說明a雖然代表整個陣列,但作為右值時,的確代表首元素的首地址。

  4. 第4行輸出值為12,是整個陣列的大小。

  5. 第5行列印了一個出界元素的大小,沒有報錯,驗證了上面第5條。

  6. 第6行列印了a[-1]和*(a-1),輸出值相等。驗證了上面第6條。

  7. 第7行列印了a和&a[0],值相等。說明陣列的首地址和首元素的首地址是相等的。

  8. 第8行列印了a,(a+1),(&a+1),由結果就可以看出首元素的首地址加1是加了一個數組元素的大小,而陣列首地址加1是加了一個數組的大小。

三,指標陣列和陣列指標

指標陣列: 首先它是一個數組,陣列的元素是指標,也成為“儲存指標的陣列”。

陣列指標: 首先它是一個指標,它指向一個數組,也可以理解為“陣列的指標”。 也可以利用前面的“解讀方法”去分析。

四,函式指標和指標函式

函式指標: 指向函式的指標變數。

指標函式: 帶指標的函式,也就是返回指標的函式。


五,指標常量和常量指標


怎麼記?

  1. 可以先把型別名去掉,然後看const離誰近,就修飾誰。

  2. 也可以const在*左邊的為常量指標,const在*右邊的為指標常量。

三~五的萬能鑰匙

其實,關於“指標陣列與陣列指標、函式指標與指標函式、指標常量與常量指標”的判斷,有一個萬能鑰匙。那就是根據我們強大的中文語法:前邊是修飾詞,後邊才是主語。比如“指標陣列”,前面的指標只是修飾詞,後面的陣列才是主語,所以它是一個數組。

六,野指標

野指標指沒有確定指向的指標。造成野指標的情況有:

1. 指標變數建立但沒有初始化。

2. 指標p被free或者delete之後,沒有置為NULL。