C语言中威力最大的指针底层原理和使用技巧讲解

这是道哥的第014篇原创

一、前言

二、变量与指针的本质

三、指针的几个相关概念

四、指向不同数据类型的指针

五、总结

一、前言

如果问C语言中最重要、威力最大的概念是什么，答案必将是指针！威力大，意味着使用方便、高效，同时也意味着语法复杂、容易出错。指针用的好，可以极大的提高代码执行效率、节约系统资源；如果用的不好，程序中将会充满陷阱、漏洞。

这篇文章，我们就来聊聊指针。从最底层的内存存储空间开始，一直到应用层的各种指针使用技巧，循序渐进、抽丝剥茧，以最直白的语言进行讲解，让你一次看过瘾。

说明：为了方便讲解和理解，文中配图的内存空间的地址是随便写的，在实际计算机中是要遵循地址对齐方式的。

二、变量与指针的本质

 1． 内存地址

我们编写一个程序源文件之后，编译得到的二进制可执行文件存放在电脑的硬盘上，此时它是一个静态的文件，一般称之为程序。

当这个程序被启动的时候，操作系统将会做下面几件事情：

把程序的内容（代码段、数据段）从硬盘复制到内存中；创建一个数据结构PCB（进程控制块），来描述这个程序的各种信息（例如：使用的资源，打开的文件描述符．．．）；在代码段中定位到入口函数的地址，让CPU从这个地址开始执行。

当程序开始被执行时，就变成一个动态的状态，一般称之为进程。

内存分为：物理内存和虚拟内存。操作系统对物理内存进行管理、包装，我们开发者面对的是操作系统提供的虚拟内存。
这2个概念不妨碍文章的理解，因此就统一称之为内存。

在我们的程序中，通过一个变量名来定义变量、使用变量。变量本身是一个确确实实存在的东西，变量名是一个抽象的概念，用来代表这个变量。就比如：我是一个实实在在的人，是客观存在与这个地球上的，道哥是我给自己起的一个名字，这个名字是任意取得，只要自己觉得好听就行，如果我愿意还可以起名叫：鸟哥、龙哥等等。

那么，我们定义一个变量之后，这个变量放在哪里呢？那就是内存的数据区。内存是一个很大的存储区域，被操作系统划分为一个一个的小空间，操作系统通过地址来管理内存。

内存中的最小存储单位是字节（8个bit），一个内存的完整空间就是由这一个一个的字节连续组成的。在上图中，每一个小格子代表一个字节，但是好像大家在书籍中没有这么来画内存模型的，更常见的是下面这样的画法：

也就是把连续的4个字节的空间画在一起，这样就便于表述和理解，特别是深入到代码对齐相关知识时更容易理解。（我认为根本原因应该是：大家都这么画，已经看顺眼了～～）

2． 32位与64位系统

我们平时所说的计算机是32位、64位，指的是计算机的CPU中寄存器的最大存储长度，如果寄存器中最大存储32bit的数据，就称之为32位系统。

在计算机中，数据一般都是在硬盘、内存和寄存器之间进行来回存取。CPU通过3种总线把各组成部分联系在一起：地址总线、数据总线和控制总线。地址总线的宽度决定了CPU的寻址能力，也就是CPU能达到的最大地址范围。

刚才说了，内存是通过地址来管理的，那么CPU想从内存中的某个地址空间上存取一个数据，那么CPU就需要在地址总线上输出这个存储单元的地址。假如地址总线的宽度是8位，能表示的最大地址空间就是256个字节，能找到内存中最大的存储单元是255这个格子（从0开始）。即使内存条的实际空间是2G字节，CPU也没法使用后面的内存地址空间。如果地址总线的宽度是32位，那么能表示的最大地址就是2的32次方，也就是4G字节的空间。

【注意】：这里只是描述地址总线的概念，实际的计算机中地址计算方式要复杂的多，比如：虚拟内存中采用分段、分页、偏移量来定位实际的物理内存，在分页中还有大页、小页之分，感兴趣的同学可以自己查一下相关资料。

3． 变量

我们在C程序中使用变量来“代表”一个数据，使用函数名来“代表”一个函数，变量名和函数名是程序员使用的助记符。变量和函数最终是要放到内存中才能被CPU使用的，而内存中所有的信息（代码和数据）都是以二进制的形式来存储的，计算机根据就不会从格式上来区分哪些是代码、哪些是数据。CPU在访问内存的时候需要的是地址，而不是变量名、函数名。

问题来了：在程序代码中使用变量名来指代变量，而变量在内存中是根据地址来存放的，这二者之间如何映射（关联）起来的？

答案是：编译器！编译器在编译文本格式的C程序文件时，会根据目标运行平台（就是编译出的二进制程序运行在哪里？是x86平台的电脑？还是ARM平台的开发板？）来安排程序中的各种地址，例如：加载到内存中的地址、代码段的入口地址等等，同时编译器也会把程序中的所有变量名，转成该变量在内存中的存储地址。

变量有2个重要属性：变量的类型和变量的值。

示例：代码中定义了一个变量

int a ＝ 20；

类型是int型，值是20。这个变量在内存中的存储模型为：

我们在代码中使用变量名a，在程序执行的时候就表示使用0x11223344地址所对应的那个存储单元中的数据。因此，可以理解为变量名a就等价于这个地址0x11223344。换句话说，如果我们可以提前知道编译器把变量a安排在地址0x11223344这个单元格中，我们就可以在程序中直接用这个地址值来操作这个变量。

在上图中，变量a的值为20，在内存中占据了4个格子的空间，也就是4个字节。为什么是4个字节呢？在C标准中并没有规定每种数据类型的变量一定要占用几个字节，这是与具体的机器、编译器有关。

比如：32位的编译器中：

char： 1个字节；
short int： 2个字节；
int： 4个字节；
long： 4个字节。

比如：64位的编译器中：

char： 1个字节；
short int： 2个字节；
int： 4个字节；
long： 8个字节。

为了方便描述，下面都以32位为例，也就是int型变量在内存中占据4个字节。

另外，0x11223344，0x11223345，0x11223346，0x11223347这连续的、从低地址到高地址的4个字节用来存储变量a的数值20。在图示中，使用十六进制来表示，十进制数值20转成16进制就是：0x00000014，所以从开始地址依次存放0x00、0x00、0x00、0x14这4个字节（存储顺序涉及到大小端的问题，不影响文本理解）。

根据这个图示，如果在程序中想知道变量a存储在内存中的什么位置，可以使用取地址操作符＆，如下：

printf（＂＆a ＝ 0x％x ＂， ＆a）；

这句话将会打印出：＆a ＝ 0x11223344。

考虑一下，在32位系统中：指针变量占用几个字节？

4． 指针变量

指针变量可以分2个层次来理解：

指针变量首先是一个变量，所以它拥有变量的所有属性：类型和值。它的类型就是指针，它的值是其他变量的地址。 既然是一个变量，那么在内存中就需要为这个变量分配一个存储空间。在这个存储空间中，存放着其他变量的地址。指针变量所指向的数据类型，这是在定义指针变量的时候就确定的。例如：int ＊p； 意味着指针指向的是一个int型的数据。

首先回答一下刚才那个问题，在32位系统中，一个指针变量在内存中占据4个字节的空间。因为CPU对内存空间寻址时，使用的是32位地址空间（4个字节），也就是用4个字节就能存储一个内存单元的地址。而指针变量中的值存储的就是地址，所以需要4个字节的空间来存储一个指针变量的值。

示例：

int a ＝ 20；
int ＊pa；
pa ＝ ＆a；
printf（＂value ＝ ％d ＂， ＊pa）；

在内存中的存储模型如下：

对于指针变量pa来说，首先它是一个变量，因此在内存中需要有一个空间来存储这个变量，这个空间的地址就是0x11223348；

其次，这个内存空间中存储的内容是变量a的地址，而a的地址为0x11223344，所以指针变量pa的地址空间中，就存储了0x11223344这个值。

这里对两个操作符＆和＊进行说明：

＆：取地址操作符，用来获取一个变量的地址。上面代码中＆a就是用来获取变量a在内存中的存储地址，也就是0x11223344。

＊：这个操作符用在2个场景中：定义一个指针的时候，获取一个指针所指向的变量值的时候。

int ＊pa； 这个语句中的表示定义的变量pa是一个指针，前面的int表示pa这个指针指向的是一个int类型的变量。不过此时我们没有给pa进行赋值，也就是说此刻pa对应的存储单元中的4个字节里的值是没有初始化的，可能是0x00000000，也可能是其他任意的数字，不确定；

printf语句中的＊表示获取pa指向的那个int类型变量的值，学名叫解引用，我们只要记住是获取指向的变量的值就可以了。