淺談C語(yǔ)言中指針的理解及應(yīng)用

曾凡舒

指針是C語(yǔ)言中一種廣泛使用的數(shù)據(jù)類型，也是C語(yǔ)言的重要特性。在C語(yǔ)言中，使用指針能夠編寫出高效、精煉、簡(jiǎn)潔的程序代碼。因此，在C語(yǔ)言的學(xué)習(xí)過(guò)程中，能否正確理解和使用指針是檢驗(yàn)是否掌握C語(yǔ)言的一個(gè)重要標(biāo)志，但是，指針也是C語(yǔ)言中最為困難的部分之一。指針的學(xué)習(xí)像其他內(nèi)容一樣也必須從理解基本概念開始。

一、計(jì)算機(jī)基本原理

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，雖然計(jì)算機(jī)制造技術(shù)發(fā)生了巨大變化，但仍然沿用馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)。在馮·諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)理論中，有三個(gè)基本思想：1）計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)和指令采均用二進(jìn)制數(shù)表示；2）計(jì)算機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，指令和數(shù)據(jù)首先存入主存儲(chǔ)器（內(nèi)存），計(jì)算機(jī)將自動(dòng)地并按順序從主存儲(chǔ)器中取出指令一條一條地執(zhí)行，這一概念稱作順序存儲(chǔ)程序；3）計(jì)算機(jī)硬件由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分組成。

計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器是由一系列連續(xù)編號(hào)或編碼的存儲(chǔ)單元組成，要運(yùn)行的程序指令以及相關(guān)的數(shù)據(jù)都按照一定的順序存儲(chǔ)在內(nèi)存中，如圖1所示。存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)的內(nèi)容有三種：1）指令，如0x03000、0x03001存儲(chǔ)單元，2）直接數(shù)據(jù)，如0x05027、0x05028、0x05029、0x05030存儲(chǔ)單元，3）地址數(shù)據(jù)，如0x03002、0x03003存儲(chǔ)單元，它們存儲(chǔ)的是存儲(chǔ)單元0x05030、0x05027的地址值。

二、指針的基本概念

C語(yǔ)言的設(shè)計(jì)者Brian W.Kernighan在《C程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言》一書中給指針的定義是：指針是一種保存變量地址的變量，因此要真確理解指針概念，先要理解幾個(gè)指針相關(guān)的概念，如地址、變量等。

地址：在計(jì)算機(jī)中，通過(guò)尋址機(jī)構(gòu)將物理存儲(chǔ)介質(zhì)映射成一維線性空間，并以字節(jié)為單位進(jìn)行統(tǒng)一編碼，使得每個(gè)字節(jié)都具有唯一的編碼，類似于街道的門牌號(hào)碼，該編碼稱為字節(jié)的地址，也稱內(nèi)存地址。內(nèi)存地址采用無(wú)符號(hào)整數(shù)來(lái)表示，例如在32位計(jì)算機(jī)中，內(nèi)存地址編碼為0x00000000 ～0xFFFFFFFF，能夠支持最大4GB的內(nèi)存空間，每個(gè)字節(jié)的地址采用32位的無(wú)符號(hào)整數(shù)表示。

存儲(chǔ)單元：在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)往往需要多個(gè)字節(jié)來(lái)存儲(chǔ)，如Unicode字符、整數(shù)、浮點(diǎn)小數(shù)、字符串等。所以，需要分配一個(gè)或連續(xù)的多個(gè)字節(jié)來(lái)存儲(chǔ)這些基本數(shù)據(jù)，我們把一個(gè)或連續(xù)的多個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間稱為一個(gè)存儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元的地址用該存儲(chǔ)單元的第一個(gè)字節(jié)的地址來(lái)表示。例如，C語(yǔ)言中的short int、long int、char、double等基本數(shù)據(jù)類型在32位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中分別占用2、4、1、8個(gè)字節(jié)，如果在內(nèi)存0x0F00地址處依次存儲(chǔ)short int、long int、char、double類型數(shù)據(jù)各一個(gè)，那么這四個(gè)存儲(chǔ)單元的地址則分別為0x0F00、0x0F02、0x0F06、0x0F07，而下一個(gè)存儲(chǔ)單元的地址則為0x0F0F，如圖2所示。

變量：是計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)空間或存儲(chǔ)單元的具體化，通過(guò)一個(gè)易辨別的字符序列來(lái)標(biāo)識(shí)一個(gè)存儲(chǔ)空間或存儲(chǔ)單元，這樣能夠大大提高編程效率和代碼的可讀性。變量具有三個(gè)要素：1）名稱，2）類型，3）值，此外，變量還有一個(gè)隱含屬性，即地址。例如，圖1中的變量s、i三個(gè)變量，它們的要素及屬性如表1所示。

指針：回頭再看Brian W.Kernighan的指針定義，指針本質(zhì)上也是一個(gè)變量，只不過(guò)它存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是一個(gè)表示地址的無(wú)符號(hào)整數(shù)。如圖1所示，變量pi、ps就是指針變量，我們把表1加上變量pi、ps后得到表2。

三、指針定義及運(yùn)算

在C語(yǔ)言中，表2中各變量的定義如下：

char s = ‘a(chǎn)， *ps； //定義并初始化char類型變量s，定義一個(gè)指向char類型變量的指針

int i = 56， *pi； //定義并初始化int類型變量i，定義一個(gè)指向int類型變量的指針

ps = &s； //將變量s的地址保存到ps變量中，則ps將指向s變量

pi = &i； //將變量i的地址保存到pi變量中，則pi將指向i變量

或者

char s = ‘a(chǎn)， *ps = &s ； //指針定義與賦值同時(shí)進(jìn)行

int i = 56， *pi = &i；

其中，*ps稱為指針，指針變量的定義格式為：

數(shù)據(jù)類型 *指針變量名；

在上述代碼中，通過(guò)ps = &s賦值后，*ps等價(jià)于s。結(jié)合圖1，對(duì)于0x05027存儲(chǔ)單元中的‘a(chǎn)有兩種訪問(wèn)方式：1）通過(guò)變量s來(lái)訪問(wèn)內(nèi)存地址0x05027的‘a(chǎn)，這種訪問(wèn)方式稱為直接訪問(wèn)方式；2）指針變量ps中存放的是變量s的地址，通過(guò)*ps來(lái)訪問(wèn)0x05027的‘a(chǎn)需要兩個(gè)步驟，首先要從指針變量ps中讀取變量s的地址0x05027，再?gòu)牡刂?x05027中讀出‘a(chǎn)，這種通過(guò)指針變量存取數(shù)據(jù)的訪問(wèn)方式稱為間接訪問(wèn)方式。

跟指針密切相關(guān)的運(yùn)算符是*和&，它們均為一元運(yùn)算符，且互為逆運(yùn)算。

&運(yùn)算符：取地址運(yùn)算符。放在普通變量的前面，作用是獲取對(duì)應(yīng)變量的存儲(chǔ)地址，例如變量i的值為56，而表達(dá)式&i的值則為0x05030，可使用以下語(yǔ)句進(jìn)行測(cè)試：

inti = 56；

printf （"%d， %p"， i， &i）；

其運(yùn)行結(jié)果為：56， 0060FF34

*運(yùn)算符：指針運(yùn)算符，又稱間接訪問(wèn)運(yùn)算符。放在指針變量的前面，作用是獲取指針變量中的地址所對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)?？捎孟率龃a進(jìn)行驗(yàn)證。

inti = 56， *pi； // 第1行

pi = &i； // 第2行

printf （"%d， %p， %p， %d"， i， &i， pi， *pi）； // 第3行

運(yùn)行結(jié)果為： 56， 0060FF34， 0060FF34， 56

其中，第1行的*表示定義指針變量，第3行中的*則表示指針運(yùn)算。

四、指針的應(yīng)用

學(xué)習(xí)指針的難點(diǎn)除了概念上的理解比較難以外，在應(yīng)用上有以下幾個(gè)比較難理解的地方。

1.指針的初始化、釋放與NULL指針

指針在使用中容易出問(wèn)題的主要環(huán)節(jié)就是指針的初始化和釋放后的處理。指針必須先申明，再賦值，然后才能使用，使用完后，需要用free（）函數(shù)釋放所占用的存儲(chǔ)空間，最后還要對(duì)指針變量進(jìn)行置空，否則會(huì)出現(xiàn)意想不到的問(wèn)題。

首先，在聲明指針變量后，如果不進(jìn)行初始化，那么該指針就是一個(gè)未初始化的指針，指針變量中的數(shù)據(jù)為內(nèi)存殘存數(shù)據(jù)，如果不進(jìn)行初始化，就會(huì)指向一個(gè)未知的地方，得到的是一個(gè)無(wú)效數(shù)據(jù)。如下面的程序代碼。

int *pt；

printf （"%p， %p， %d＼n"， &pt， pt， *pt）；

運(yùn)行結(jié)果：0060FF30， 004013A0， -2082109099

結(jié)果中第一個(gè)數(shù)字0060FF30表示的是指針變量pt本身的地址值；第二個(gè)數(shù)字004013A0是表示指針變量pt中的地址值，由于指針pt沒有初始化，所以指針pt變量中的地址值是原來(lái)內(nèi)存中的殘存數(shù)據(jù)；第三個(gè)數(shù)字-2082109099則是殘存數(shù)據(jù)作為地址值所指內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，不是我們想要的數(shù)據(jù)，屬于垃圾數(shù)據(jù)。

其次，在指針使用完畢后，第一，要釋放指針?biāo)嫉膬?nèi)存空間，通過(guò)free（）函數(shù)完成，第二，需要對(duì)不用的指針變量置空，即設(shè)置不再使用的指針變量的值為NULL，否則釋放空間后，指針中的地址值不會(huì)變，但是指針原來(lái)所指的存儲(chǔ)單元將成為未使用空間或分配給其他的變量使用。

char *pta = （char *） malloc（30）； //第1行

strcpy（pta， "Hello C Language！"）； //第2行

printf （"%p ＼n"， pta）； //第3行

free（pta）； //第4行

printf （"%p ＼n"， pta）； //第5行

//if（pta ！= NULL）； //第6行

//strcpy（pta， "zfs"）； //第7行

pta = NULL； //第8行

printf （"%p ＼n"， pta）； //第9行

結(jié)果為：

009C0DC0

009C0DC0

00000000

第一個(gè)數(shù)字009C0DC0為malloc（）函數(shù)申請(qǐng)30個(gè)字符空間的首個(gè)字節(jié)的地址，并將該地址值保存到了指針變量pta中；第二個(gè)數(shù)字009C0DC0是對(duì)指針變量pta進(jìn)行釋放處理后其中的值，可以看出，雖然釋放了pta所指向的存儲(chǔ)空間，但pta中的地址值仍然不變，pta所指向的存儲(chǔ)空間已經(jīng)回收或另作他用，pta指向了不可用內(nèi)存區(qū)域，成了野指針，而且不能使用（pta ！= NULL）進(jìn)行檢測(cè)，所以第6、7行運(yùn)行會(huì)出錯(cuò)；第三個(gè)數(shù)字00000000是將pta變量置空后pta中的值，即將NULL賦值給pta指針變量，pta即成為NULL指針（空指針），NULL的定義在C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)頭文件stddef.h中。宏定義如下：

#undef NULL

#if defined（__cplusplus）

#define NULL 0

#else

#define NULL （（void *）0）

#endif

2.指針與數(shù)組

C語(yǔ)言的數(shù)組表示的是一段連續(xù)的內(nèi)存空間，用來(lái)存儲(chǔ)多個(gè)指定類型的數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)組成員稱為一個(gè)數(shù)組元素，每個(gè)數(shù)組元素占用的字節(jié)數(shù)相等。數(shù)組和指針不是同一種結(jié)構(gòu)，不可以互相轉(zhuǎn)換，但是數(shù)組變量則是指向了數(shù)組的第一個(gè)元素的內(nèi)存地址，如圖3所示。

short int ai[5]= {27， 36， 51， 110， 97}； //第1行

short int *ptai； //第2行

ptai = ai； //第3行

在C語(yǔ)言中可以把數(shù)組變量直接賦值給指針，但不能把指針變量賦值給數(shù)組。如果把一個(gè)數(shù)組變量值賦給指針，實(shí)際上是把指向數(shù)組第一個(gè)元素的地址賦給指針。第2、3行可以理解為：

short int *ptai = &ai[0]；

或者

short int *ptai；

ptai = &ai[0]；

所以ai[0]與*ptai是等價(jià)，由于數(shù)組中的元素是等長(zhǎng)的，因此，ai[1]與*（ptai + 1）、ai[2]與*（ptai + 2）也是等價(jià)的，以此類推。但是，要注意的是ptai + 1、ptai + 2中的1、2并不是按字節(jié)計(jì)算的偏移量，而是按short int類型計(jì)算的偏移量。

五、總結(jié)

指針雖然比較難以理解和掌握，需要許多計(jì)算機(jī)底層的知識(shí)作支撐，但它卻是C語(yǔ)言的精髓所在，是C語(yǔ)言的重要特性，能夠充分展現(xiàn)C語(yǔ)言的強(qiáng)大魅力。實(shí)際上，我們只要從變量的本質(zhì)、內(nèi)存地址、計(jì)算機(jī)尋址原理等多方面進(jìn)行了解和貫通，指針概念以及指針的相關(guān)應(yīng)用也就不難理解了。而且，通過(guò)對(duì)指針的深入了解和學(xué)習(xí)，能夠更加高效和靈活地使用數(shù)組、字符串、結(jié)構(gòu)體、各種線性非線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)存的動(dòng)態(tài)分配以及文件的存取等。所以說(shuō)，學(xué)好了指針，才能夠?qū)W好C語(yǔ)言。

責(zé)任編輯朱守鋰