指針教學(xué)內(nèi)容改革之一

文章編號(hào)：1672-5913(2009)02-0077-05

摘 要：C語(yǔ)言指針教學(xué)內(nèi)容組織近乎千篇一律，除相關(guān)概念至今未見(jiàn)在教材中求精外，理論基礎(chǔ)的介紹既不精準(zhǔn)又不一致更不直觀，大體停留在羅列各種使用情形上。本文選取了已投入教學(xué)實(shí)踐并取得良好效果的自編講義中的一段，以展示教改成果。其中的字面指針能使介紹直觀化。

關(guān)鍵詞：教學(xué)內(nèi)容；C語(yǔ)言；指針

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 基本指針類型

C語(yǔ)言中，指針是一種特殊類型的整型值，所以也說(shuō)成是指針值。指針與地址不同，地址是反映計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)邏輯構(gòu)造的物理概念。存儲(chǔ)介質(zhì)由字節(jié)組成，每個(gè)字節(jié)都有一定的序號(hào)(如0，1，2，3，…，100，101，…，1000，1001，……)，這些連續(xù)的序號(hào)就是它們的物理地址。地址作為字節(jié)的序號(hào)，用整數(shù)就能表示。

然而僅僅地址并不能反映該地址處的若干字節(jié)是由什么類型的變量或數(shù)組所用，正像僅憑“長(zhǎng)安大街100號(hào)”并不能指明該處是大商場(chǎng)還是小店鋪，乃至是圍有幾棟樓的居民小區(qū)。為了描述“是由什么所用”這層含義，引入了指針概念，并給出了指針類型及其表達(dá)方法。

有了指針類型，指針就能由整型值地址轉(zhuǎn)化而成，在程序需要指針時(shí)有計(jì)可施。

指針類型并不像結(jié)構(gòu)體類型，需要專門做出類型聲明，而只需在已有的類型名上添加運(yùn)算符就能表達(dá)，甚至像數(shù)組類型之類，只需添加運(yùn)算符[]和其中的整型常量值。

盡管有些指針類型的表達(dá)可能非常復(fù)雜，但這里僅討論表達(dá)簡(jiǎn)潔的基本指針類型，即在已有的非數(shù)組類型后跟隨星號(hào)。例如：

short * char * struct tag *

(假設(shè)struct tag是已聲明的結(jié)構(gòu)體類型，且全文有效)。

如果想把程序中出現(xiàn)的整數(shù)2000看成是存儲(chǔ)介質(zhì)序號(hào)2000字節(jié)的地址，就必須配合使用指針類型。例如：

① (short *)2000

② (char *)2000

③ (struct tag *)2000

都是合理的，參照-2000是字面負(fù)整數(shù)的說(shuō)法，它們都可以認(rèn)為是字面指針。此時(shí)，其中的2000代表地址，不過(guò)它們還有另一層含義，那就是地址2000處的若干字節(jié)，在①看來(lái)是用兩個(gè)字節(jié)為short型變量所用；在②看來(lái)是用一個(gè)字節(jié)為char型變量所用，等。

1.1 指針

指針是整型值配上指針類型，此時(shí)的整型值代表地址。例如，假設(shè)k是整型變量，則

(short *)k (long *)(2*k+1)

(char *)2000 (struct tag *)3000

的結(jié)果都是指針。若k的值為1000，那么(short *)k與(long *)(2*k+1)分別等于

(short *)1000 與 (long *)2001

為了敘述方便，可以稱：(1)指針類型星號(hào)前的類型為基類型，(2)類型后的整型值為指針地址，如下表：

1.2 指針變量

這種類型的變量可以用來(lái)存儲(chǔ)指針，定義指針變量要用指針類型來(lái)完成。以下寫出的都是指針變量的定義。

short * p1; char * p2;

struct tag * p3;

之后，p1、p2、p3便都是指針變量名。

使用賦值運(yùn)算可以讓指針變量存儲(chǔ)指針，但類型應(yīng)當(dāng)一致。例如

p1 = (short *)k; p2 = (char *)2000;

p3 = (struct tag *)2000;

都是正確的(k的意義同上文)。

用指針變量來(lái)存儲(chǔ)指針，不過(guò)是存儲(chǔ)了指針地址，指針類型的信息全憑這個(gè)指針變量的類型體現(xiàn)。例如，p2存儲(chǔ)的是2000，由于它是char * 型的指針變量，所以它的值為：

(char *)2000

指針變量對(duì)應(yīng)內(nèi)存的字節(jié)數(shù)，由編程環(huán)境中設(shè)置的模式?jīng)Q定，small模式等為2字節(jié)，large模式等為4字節(jié)。

定義指針變量的方法，可以動(dòng)態(tài)地描述成：在已有變量定義的基礎(chǔ)上，在變量名前加星號(hào)。例如

int p1, v, p2; => int *p1, v, *p2;

那么，p1，p2變成為指針變量。

注意，在星號(hào)的前后增減空格不會(huì)影響語(yǔ)義。

1.3 輸出指針

凡是能夠輸出整型值的格式輸出，都可以輸出指針的指針地址。但不能忘記指針是在2字節(jié)的small模式下還是在4字節(jié)的large模式下。

%p格式的printf()專門用來(lái)輸出指針的指針地址。不同的是，它能自動(dòng)察覺(jué)程序完成時(shí)的編程環(huán)境是什么模式，以便相應(yīng)地采取類似%x格式或%lx格式的輸出，但相比之下輸出形式略有差異：

●small模式時(shí)，輸出地址的4位十六進(jìn)制數(shù)字。

●large模式時(shí)，輸出地址的8位十六進(jìn)制數(shù)字，且兩個(gè)4位之間用冒號(hào)隔開。

例如，

printf("%p", (int *)30);

在small模式下，將輸出001e；在large模式下，將輸出0000:001e

1.4 直接代表指針

1.4.1一維數(shù)組名代表指針

C語(yǔ)言的一維數(shù)組名和變量名，在語(yǔ)義上存在著本質(zhì)區(qū)別。盡管它們都唯一地對(duì)應(yīng)一塊內(nèi)存，并且內(nèi)存塊的首字節(jié)地址正是這種對(duì)應(yīng)的確切反映。然而，在程序中簡(jiǎn)單地使用變量名意味著要向那塊內(nèi)存儲(chǔ)存數(shù)據(jù)或要從中取得數(shù)據(jù)；簡(jiǎn)單地使用一維數(shù)組名卻意味著僅僅要利用那塊內(nèi)存的首字節(jié)地址形成的有相同基類型的指針。亦即，指針的基類型就是數(shù)組的基類型。由于內(nèi)存塊的位置是確定的，所以經(jīng)?？吹降恼f(shuō)法類似于：數(shù)組名是指針常量。

可以用printf("%p", 數(shù)組名);來(lái)輸出數(shù)組對(duì)應(yīng)內(nèi)存塊的首字節(jié)地址。這從一個(gè)側(cè)面表明，盡管數(shù)組的內(nèi)存是系統(tǒng)分配的，但我們還是可以知道它在什么地方。

1.4.2 字符串常量代表指針

在程序中，經(jīng)?？梢钥吹竭@樣的寫法：

p = "e:\turboc2\student.dat";

其中，p是char* 型的指針變量。實(shí)際上，系統(tǒng)要為這樣的字符串常量專門開辟一塊內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)它包含的字符?？墒?，它在程序中留下的可供直接使用的只有char* 型的指針，指針地址就是那塊內(nèi)存的首字節(jié)地址，所以才要用一個(gè)指針變量來(lái)保存，以便之后隨時(shí)可用。

在此額外提一句，整型常量的存儲(chǔ)位置很隱蔽，但幸好沒(méi)必要知道。表達(dá)式計(jì)算的中間結(jié)果存儲(chǔ)在什么地方也是隱蔽的。

有了以上兩點(diǎn)認(rèn)識(shí)，就可以這樣說(shuō)，%s格式的輸出部分可以是指針值，只要指針地址處的若干字節(jié)存儲(chǔ)了恰當(dāng)?shù)淖址?。至于在輸出部分處寫的是字符串常量還是數(shù)組名，都無(wú)關(guān)緊要。

2 基本指針的運(yùn)算

指針能參與的運(yùn)算很有限。除賦值運(yùn)算以外，還有其他七個(gè)種類。前四個(gè)種類分別是“*”、“[ ]”、“&”和強(qiáng)制指針類型轉(zhuǎn)換運(yùn)算。

2.1 指針的指針運(yùn)算

* —— 除了用來(lái)構(gòu)成指針類型之外，還可以出現(xiàn)在指針前，與指針一起構(gòu)成一個(gè)基類型的變量?！?指針”變量的內(nèi)存就是指針地址處的若干字節(jié)。它是單目運(yùn)算符。

例如，*(int *)2000是一個(gè)int型的變量，這個(gè)表達(dá)式的值是這個(gè)變量的值，而不是2000。

再如，若an是int[100]型數(shù)組名，*an就為int型的變量，也就是an的第0號(hào)元素an[0]。

再如，*"Hello"是一個(gè)char型的變量，其中存儲(chǔ)的是字符'H'。

2.2 指針的下標(biāo)運(yùn)算

[ ] —— 除用來(lái)構(gòu)成數(shù)組類型之外，當(dāng)其間包含有整型值并出現(xiàn)在指針后，將與指針結(jié)合成一個(gè)基類型的變量?！爸羔榌整型值]”變量就是“*(指針+整型值)”變量。它是雙目運(yùn)算，需要一個(gè)指針和一個(gè)整型值。例如：

((int*)2000)[4] <=> *((int*)2000 + 4)

是一個(gè)int型的變量。

再如，若a是int[100]型數(shù)組名，那么

a[4] <=> *(a + 4)

是一個(gè)int型的變量，也就是a的第4號(hào)元素。請(qǐng)不必為先有雞——指針a與4做[ ]運(yùn)算為a[4]，還是先有蛋——數(shù)組a的第4號(hào)元素為a[4]所困，只需記?。合聵?biāo)變量就是做了下標(biāo)運(yùn)算所得的變量。再如

"Hello"[4] <=> *("Hello"+4)

是一個(gè)char型的變量，存儲(chǔ)的是字符'o'。

2.3 指針的求取運(yùn)算

& —— 是取指針運(yùn)算符。把它置于變量前，算出的是該變量的指針，這個(gè)指針以變量的類型為基類型，以變量?jī)?nèi)存的首字節(jié)地址為其指針地址。

例如，有如下變量定義，并假設(shè)它們的內(nèi)存首字節(jié)地址分別為：1000，1002，1003

short v1; char v2; struct tag v3;

那么，&v1、&v2、&v3的值分別為：

(short *)1000 (char *)1002

(struct tag *)1003

2.4 強(qiáng)制指針類型轉(zhuǎn)換運(yùn)算

(指針類型)——跟其他強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換運(yùn)算符的構(gòu)成一樣，比如(short *)、(char *)……都是這樣的運(yùn)算符。把它們置于z指針或整型值之前，結(jié)果就是所要類型的指針。例如

(int *)"Hello"

就能從char*型的指針轉(zhuǎn)換成int*型的指針，指針地址不變。再如，曾經(jīng)寫出的指針

(short *)k (long *)(2*k+1)

(char *)2000 (struct tag *)3000

其實(shí)分別為：

對(duì)k的值做了(short *)運(yùn)算

對(duì)2*k+1的值做了(long *)運(yùn)算

對(duì)2000做了(char *)運(yùn)算

對(duì)3000做了(struct tag *)運(yùn)算

作為類比

-k，-(2*k+1)，-2000

分別為：對(duì)k、2*k+1和字面整數(shù)2000的值做了求負(fù)運(yùn)算，等。

后三個(gè)種類分別是加減運(yùn)算、關(guān)系運(yùn)算和邏輯運(yùn)算

2.5 指針的加減運(yùn)算

i) 指針增減值：指針作為第一運(yùn)算對(duì)象和整型值相加減。結(jié)果仍為同類型的指針，但指針地址加減了整型值的倍數(shù)，具體幾倍要看基類型對(duì)應(yīng)幾個(gè)字節(jié)。例如

(short *)2000+10等于(short *)(2000+10*2) 即(short *)2020

ii) 兩指針相減：類型相同的指針可以相減。結(jié)果的類型，若small模式為short，若large模式為long，得到的整型值等于指針地址之差除以基類型的字節(jié)數(shù)。例如

(long *)2000 – (long *)1800

=> (2000 – 1800) / 4 => 50

所以計(jì)算結(jié)果，或是50或是50L。

數(shù)組的兩個(gè)元素的指針與它倆的下標(biāo)之間的關(guān)系，用這類運(yùn)算確定極為方便。

比如a是任意數(shù)組，i和j是兩個(gè)下標(biāo)，那么

&a[i] + j - i = &a[j]

&a[j] - &a[i] = j - i

特別地

a + i = &a[i] &a[i] - a = i

2.6 指針的比較運(yùn)算

相同類型的指針可做比較運(yùn)算。計(jì)算結(jié)果不是0就是1。比較僅僅使用指針地址。例如，

(int *)3 > (int *)2

的結(jié)果為1。

如果使用減法，把(int *)3 – (int *)2的結(jié)果為0作為(int*)3等于(int*)2的依據(jù)，就犯錯(cuò)誤了！特別地，整數(shù)0可以跟任何類型的指針做比較。

2.7 指針的邏輯運(yùn)算

不同類型的指針以及整型值之間，可以做邏輯運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果非0即1。指針的邏輯“真”、“假”僅以指針地址是否為0作為依據(jù)。

例如，假設(shè)有int* pi, v; char* pc;并且都存儲(chǔ)了適當(dāng)?shù)闹?。那?/p>

pi && v || pc

是正確的表達(dá)式。若它們存儲(chǔ)的分別為(int*)0、10、(char*)20，則上式的計(jì)算過(guò)程為：

((int*)0 && 10) || pc => 0 || (char*)20 => 1

即結(jié)果為“真”。

指針運(yùn)算和下標(biāo)運(yùn)算表明，C語(yǔ)言中存在著純屬表達(dá)式形式的變量。使用上，這種表達(dá)式的整體相當(dāng)于變量名。

正是基于指針能夠通過(guò)運(yùn)算得到變量這一事實(shí)，便有了較直觀的說(shuō)法：指針指向變量。甚至用箭頭來(lái)圖示“指向”，方法如下圖所示。其中假設(shè)a是一維數(shù)組、v是變量，p和q是指針變量，分別存儲(chǔ)了指針&v和a(言下之意，p、q有適合的指針類型)。

注：箭頭起始方框內(nèi)是存儲(chǔ)的指針，方框外給出的是變量名或相當(dāng)于變量名的表達(dá)式。

必須心中有數(shù)，盡管指針值是多少并不會(huì)妨礙用指針運(yùn)算或下標(biāo)運(yùn)算得到變量，然而這樣得到的變量，其內(nèi)存是否靠得住并沒(méi)有論及。這和《建筑施工手冊(cè)》僅介紹了房屋建造的方法，至于私搭亂建將產(chǎn)生什么后果并未涉及一樣。都需另立專題說(shuō)明。

2.8 指針類型的自動(dòng)轉(zhuǎn)換

1) 值，任何類型的指針值，甚至整型值，都可以作為賦值表達(dá)式的右端，最后將自動(dòng)轉(zhuǎn)化為賦值運(yùn)算符左端指針變量的類型。

2) 減，硬讓不同類型的指針做減法時(shí)，減號(hào)右邊的指針將自動(dòng)轉(zhuǎn)化為左邊的指針類型。

3) 較，指針也可以硬性地和任何其他類型的指針，甚至整型值做比較，而利用的僅僅是指針地址或整型值。

盡管以上三條行得通，但編譯系統(tǒng)還是有可能給出警告信息，以表明那么做是不希望的。作為例子，特給出以下3個(gè)式子的計(jì)算。

(short*)50 – 10

=> (short*)(50 – 10*2)

=> (short*)30

(short*)50 – (char*)10

=> (short*)50 – (short*)10

=> (50 – 10)/2 => 20

(char*)50 – (short*)10

=> (char*)50 – (char*)10

=> (50 – 10)/1 => 40

3 相關(guān)運(yùn)算的優(yōu)先級(jí)與結(jié)合性

這里僅討論前四個(gè)種類的運(yùn)算符：*、[ ]、&和強(qiáng)制指針類型轉(zhuǎn)換運(yùn)算符。

其中，“[]”的優(yōu)先級(jí)最高，且結(jié)合性從左到右；“*”、“&”以及“(指針類型)”運(yùn)算符的優(yōu)先級(jí)次之，等同于其他單目運(yùn)算符，且它們的結(jié)合性也相同，都是從右到左。順便提一下，具備這種結(jié)合性的雙目運(yùn)算符只有賦值運(yùn)算符“=”。

C語(yǔ)言對(duì)表達(dá)式的計(jì)算求解依賴于運(yùn)算符的優(yōu)先級(jí)和結(jié)合性。作為練習(xí)，在此給出7例，并做了適度推導(dǎo)。

1) (long*)(short *)2000 = (long *)2000

因 (short *)2000 的指針地址為2000，配上最后運(yùn)算生效的強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)化運(yùn)算符 (long*)，必然等于右側(cè)。

2) (short *)2000 + 10

≠ (short *)(2000 + 10)

因 (short *)2000 + 10 = (short *)2020 而 (short *) (2000 +10) = (short *)2010

3) *((short *)2000 + 5)

<≠> *(short *)2000 + 5

因 *( (short *)2000 + 5 ) <=>

*( (short *)2010 )

再由于“(short *)”與指針運(yùn)算符“*”的優(yōu)先級(jí)相同，結(jié)合性“從右到左”，所以括號(hào)可以去掉，即為：

* (short *)2010

此乃變量，可以給它存儲(chǔ)值或從中得到值。而

*(short *)2000+5

=> (*(short *)2000) + 5 => 變量 + 5

只能算得一個(gè)值

【引申】如果把指針 (short *)2000用指針變量p替換，相當(dāng)于

*(p + 5) <≠> *p + 5

4) (long *)(2*k+1) ≠> (long *)2*k+1

因“(long *)”的優(yōu)先級(jí)高于乘法運(yùn)算符“*”，故

(long *)2*k+1 => ((long *)2)*k+1

=> 指針* k + 1，

可是指針不能做乘法運(yùn)算。

5) ((short *)2000)[5]

≠> (short *)2000[5]

因“[ ]”的優(yōu)先級(jí)高于“(int *)”，故

(int *)2000[5] => (int *)( 2000[5] )

可是整型值與整型值之間不能做下標(biāo)運(yùn)算。

6) &*(int *)2000 = (int *)2000

因 &*(int *)2000 => & (* (int *)2000)

而變量 * (int *)2000 的首地址為2000，基類型為int，取指針的結(jié)果必然為：(int *)2000

【引申】如果把指針 (int *)2000用指針變量p替換，相當(dāng)于

&*p = p

7) *&*(int *)2000 <=> *(int *)2000

因 *&*(int *)2000 <=>

*(&* (int *)2000) <=> *( (int *)2000)

<=> * (int *)2000

【引申】如果把變量 *(int *)2000用變量v替換，相當(dāng)于

*&v <=> v

從后兩例可見(jiàn)，“&”與“*”是一對(duì)互逆運(yùn)算符。

補(bǔ)充說(shuō)明：1)嚴(yán)格地說(shuō)，C語(yǔ)言沒(méi)有字面負(fù)整數(shù)；2)本文僅就Turbo C 2.0開發(fā)環(huán)境而言。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王恒濱,閆東升. 關(guān)于C語(yǔ)言指針定義的討論[J]. 遼寧財(cái)專學(xué)報(bào),2004.

[2] 傅育熙等譯. 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言：設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(第四版)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2001.

[3] 金戈,湯凌等譯. 代碼大全(第二版)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2006.