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编者荐语

指针对于C来说太重要。然而，想要全面理解指针，除了要对C语言有熟练的掌握外，还要有计算机硬件以及操作系统等方方面面的基本知识。

转载自丨嵌入式情报局

为什么需要指针？

指针解决了一些编程中基本的问题。

✅指针的使用使得不同区域的代码可以轻易的共享内存数据。当然小伙伴们也可以通过数据的复制达到相同的效果，但是这样往往效率不太好。因为诸如结构体等大型数据，占用的字节数多，复制很消耗性能。但使用指针就可以很好的避免这个问题，因为任何类型的指针占用的字节数都是一样的（根据平台不同，有4字节或者8字节或者其他可能）。

✅指针使得一些复杂的链接性的数据结构的构建成为可能，比如链表，链式二叉树等等。

✅有些操作必须使用指针。如操作申请的堆内存。还有：C语言中的一切函数调用中，值传递都是“按值传递”的。如果我们要在函数中修改被传递过来的对象，就必须通过这个对象的指针来完成。

计算机是如何从内存中进行取指的？

计算机的总线可以分为3种：数据总线，地址总线和控制总线。这里不对控制总线进行描述。数据总线用于进行数据信息传送。数据总线的位数一般与CPU的字长一致。

一般而言，数据总线的位数跟当前机器int值的长度相等。例如在16位机器上，int的长度是16bit，32位机器则是32bit。这个计算机一条指令最多能够读取或者存取的数据长度。大于这个值，计算机将进行多次访问。这也就是我们说的64位机器进行64位数据运算的效率比32位要高的原因，因为32位机要进行两次取指和运行，而64位机却只需要一次！

地址总线专门用于寻址，CPU通过该地址进行数据的访问，然后把处于该地址处的数据通过数据总线进行传送，传送的长度就是数据总线的位数。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，比如CPU总线长32位，其最大的直接寻址空间长232KB，也就是4G。

这也就是我们常说的32位CPU最大支持的内存上限为4G（当然，实际上支持不到这个值，因为一部分寻址空间会被映射到外部的一些IO设备和虚拟内存上。现在通过一些新的技术，可以使32位机支持4G以上内存，但这个不在这里的讨论范围内）。

一般而言，计算机的地址总线和数据总线的宽度是一样的，我们说32位的CPU，数据总线和地址总线的宽度都是32位。

计算机访问某个数据的时候，首先要通过地址总线传送数据存储或者读取的位置，然后在通过数据总线传送需要存储或者读取的数据。一般地，int整型的位数等于数据总线的宽度，指针的位数等于地址总线的宽度。

计算机的基本访问单元

学过C语言的人都知道，C语言的基本数据类型中，就属char的位数最小，是8位。我们可以认为计算机以8位，即1个字节为基本访问单元。小于一个字节的数据，必须通过位操作来进行访问。

内存访问方式

如图1所示，计算机在进行数据访问的时候，是以字节为基本单元进行访问的，所以可以认为，计算每次都是从第p个字节开始访问的。访问的长度将由编译器根据实际类型进行计算，这在后面将会进行讲述。

内存访问方式

想要了解更多，就去翻阅计算机组成原理和编译原理吧。

sizeof关键字

sizeof关键字是编译器用来计算某些类型的数据的长度的，以字节为基本单位。例如：

sizeof(Type)的值是在编译的时候就计算出来了的，可以认为这是一个常量！

指针是什么？

我们知道：C语言中的数组是指一类类型，数组具体区分为  int 类型数组，double类型数组,char数组 等等。同样指针这个概念也泛指一类数据类型，int指针类型，double指针类型，char指针类型等等。

通常，我们用int类型保存一些整型的数据，如 int num = 97 ， 我们也会用char来存储字符：char ch = 'a'。

我们也必须知道：任何程序数据载入内存后，在内存都有他们的地址，这就是指针。而为了保存一个数据在内存中的地址，我们就需要指针变量。

因此：指针是程序数据在内存中的地址，而指针变量是用来保存这些地址的变量。

在我个人的理解中，可以将指针理解成int整型，只不过它存放的数据是内存地址，而不是普通数据，我们通过这个地址值进行数据的访问，假设它的是p，意思就是该数据存放位置为内存的第p个字节。

当然，我们不能像对int类型的数据那样进行各种加减乘除操作，这是编译器不允许的，因为这样错是非常危险的！

图2就是对指针的描述，指针的值是数据存放地址，因此，我们说，指针指向数据的存放位置。

指针的长度

我们使用这样的方式来定义一个指针：

我们说p是指向type类型的指针，type可以是任意类型，除了可以是char,short, int, long等基本类型外，还可以是指针类型，例如int *, int **, 或者更多级的指针，也可是是结构体，类或者函数等。于是，我们说：

int * 是指向int类型的指针；

int **，也即(int *) *，是指向int *类型的指针，也就是指向指针的指针；

int ***，也即(int **) *，是指向int**类型的指针，也就是指向指针的指针的指针；

…我想你应该懂了

struct xxx *，是指向struct xxx类型的指针；

其实，说这么多，只是希望大家在看到指针的时候，不要被int ***这样的东西吓到，就像前面说的，指针就是指向某种类型的指针，我们只看最后一个*号，前面的只不过是type类型罢了。

细心一点的人应该发现了，在“什么是指针”这一小节当中，已经表明了：指针的长度跟CPU的位数相等，大部分的CPU是32位的，因此我们说，指针的长度是32bit，也就是4个字节！注意：任意指针的长度都是4个字节，不管是什么指针！（当然64位机自己去测一下，应该是8个字节吧。。。）

 于是：

izeof(p)的值是4，Type可以是任意类型，char,int, long, struct, class, int **…

以后大家看到什么sizeof(char*), sizeof(int *)，sizeof(xxx *)，不要理会，统统写4，只要是指针，长度就是4个字节，绝对不要被type类型迷惑！

为什么程序中的数据会有自己的地址？

弄清这个问题我们需要从操作系统的角度去认知内存。

电脑维修师傅眼中的内存是这样的：内存在物理上是由一组DRAM芯片组成的。

而作为一个程序员，我们不需要了解内存的物理结构，操作系统将RAM等硬件和软件结合起来，给程序员提供的一种对内存使用的抽象。这种抽象机制使得程序使用的是虚拟存储器,而不是直接操作和使用真实存在的物理存储器。所有的虚拟地址形成的集合就是虚拟地址空间。

在程序员眼中的内存应该是下面这样的。

也就是说，内存是一个很大的，线性的字节数组（平坦寻址）。每一个字节都是固定的大小，由8个二进制位组成。最关键的是，每一个字节都有一个唯一的编号,编号从0开始，一直到最后一个字节。如上图中，这是一个256M的内存，他一共有256x1024x1024  = 268435456个字节，那么它的地址范围就是 0 ~268435455  。

由于内存中的每一个字节都有一个唯一的编号。因此，在程序中使用的变量，常量，甚至数函数等数据，当他们被载入到内存中后，都有自己唯一的一个编号，这个编号就是这个数据的地址。指针就是这样形成的。

下面用代码说明

指针的值实质是内存单元（即字节）的编号，所以指针单独从数值上看，也是整数，他们一般用16进制表示。指针的值（虚拟地址值）使用一个机器字的大小来存储。也就是说,对于一个机器字为w位的电脑而言,它的虚拟地址空间是0~2w － 1 ,程序最多能访问2w个字节。这就是为什么xp这种32位系统最大支持4GB内存的原因了。

我们可以大致画出变量ch和num在内存模型中的存储。（假设 char占1个字节，int占4字节）

变量和内存

为了简单起见，这里就用上面例子中的  int num = 97 这个局部变量来分析变量在内存中的存储模型。

已知：num的类型是int，占用了4个字节的内存空间，其值是97，地址是0028FF40。我们从以下几个方面去分析。

1、内存的数据

内存的数据就是变量的值对应的二进制，一切都是二进制。97的二进制是 : 00000000 00000000 00000000 0110000 , 但使用的小端模式存储时，低位数据存放在低地址，所以图中画的时候是倒过来的。

2、内存数据的类型

内存的数据类型决定了这个数据占用的字节数，以及计算机将如何解释这些字节。num的类型是int，因此将被解释为 一个整数。

3、内存数据的名称

内存的名称就是变量名。实质上，内存数据都是以地址来标识的，根本没有内存的名称这个说法，这只是高级语言提供的抽象机制 ，方便我们操作内存数据。而且在C语言中，并不是所有的内存数据都有名称，例如使用malloc申请的堆内存就没有。

4、内存数据的地址

如果一个类型占用的字节数大于1，则其变量的地址就是地址值最小的那个字节的地址。因此num的地址是 0028FF40。内存的地址用于标识这个内存块。

5、内存数据的生命周期

num是main函数中的局部变量，因此当main函数被启动时，它被分配于栈内存上，当main执行结束时，消亡。

如果一个数据一直占用着他的内存，那么我们就说他是“活着的”，如果他占用的内存被回收了，则这个数据就“消亡了”。C语言中的程序数据会按照他们定义的位置，数据的种类，修饰的关键字等因素，决定他们的生命周期特性。实质上我们程序使用的内存会被逻辑上划分为：栈区，堆区，静态数据区，方法区。不同的区域的数据有不同的生命周期。

无论以后计算机硬件如何发展，内存容量都是有限的，因此清楚理解程序中每一个程序数据的生命周期是非常重要的。

指针运算

 N多的面试会考这种东西了：

然后问你p的值变化了多少。

其实，也可以认为这是在考编译器的基本知识。因此p的值并不像表面看到的+1那么简单，编译器实际上对p进行的是加sizeof(Type)的操作。

看一个一段代码的测试结果：

这里注释掉char一行的原因是因为cout【成员】 的方法访问结构体的成员

数组和指针

1、数组名作为右值的时候，就是第一个元素的地址。

2、指向数组元素的指针 支持 递增 递减 运算。（实质上所有指针都支持递增递减 运算 ，但只有在数组中使用才是有意义的）

3、p= p+1 意思是，让p指向原来指向的内存块的下一个相邻的相同类型的内存块。

同一个数组中，元素的指针之间可以做减法运算，此时，指针之差等于下标之差。

4、p[n]    == *(p+n)

     p[n][m]  == *(  *(p+n)+ m )

5、当对数组名使用sizeof时，返回的是整个数组占用的内存字节数。当把数组名赋值给一个指针后，再对指针使用sizeof运算符，返回的是指针的大小。

这就是为什么将一个数组传递给一个函数时，需要另外用一个参数传递数组元素个数的原因了。

函数和指针

函数的参数和指针

C语言中，实参传递给形参，是按值传递的，也就是说，函数中的形参是实参的拷贝份，形参和实参只是在值上面一样，而不是同一个内存数据对象。这就意味着：这种数据传递是单向的，即从调用者传递给被调函数，而被调函数无法修改传递的参数达到回传的效果。

有时候我们可以使用函数的返回值来回传数据，在简单的情况下是可以的。但是如果返回值有其它用途（例如返回函数的执行状态量），或者要回传的数据不止一个，返回值就解决不了了。

传递变量的指针可以轻松解决上述问题。

再来一个老生常谈的，用函数交换2个变量的值的例子：

有的时候，我们通过指针传递数据给函数不是为了在函数中改变他指向的对象。相反，我们防止这个目标数据被改变。传递指针只是为了避免拷贝大型数据。

考虑一个结构体类型Student。我们通过show函数输出Student变量的数据。

我们只是在show函数中取读Student变量的信息，而不会去修改它，为了防止意外修改，我们使用了常量指针去约束。另外我们为什么要使用指针而不是直接传递Student变量呢？

从定义的结构看出，Student变量的大小至少是39个字节，那么通过函数直接传递变量，实参赋值数据给形参需要拷贝至少39个字节的数据，极不高效。而传递变量的指针却快很多，因为在同一个平台下，无论什么类型的指针大小都是固定的：X86指针4字节，X64指针8字节，远远比一个Student结构体变量小。

函数的指针

跟普通的变量一样，每一个函数都是有其地址的，我们通过跳转到这个地址执行代码来进行函数调用，只是，跟取普通数据不同的在于，函数有参数和返回值，在进行函数调用的时候，首先需要将参数压入栈中，调用完成后又需要将参数压入栈中。既然函数也是通过地址来进行访问的，那它也可以使用指针来指向，事实上，每一个函数名都是一个指针，不过它是指针常量和指针常量，它的值是不能改的，指向的值也不能改。

（关于常量指针和指针常量什么的，有时间在专门开辟一章来说明const这个东东吧，也是很有讲头的一个东东。。。）

函数指针一般用来干什么呢？函数指针最常用的场合就是回调函数。回调函数，顾名思义，就是某个函数会在适当的时候被别人调用。当期望你调用的函数能够使用你的某些方式去操作的时候，回调函数就很有用，比如，你期望某个排序函数在比较的时候，能够使用你定义的比较方法去比较。

有过较深入的C编程经验的人应该都接触过。C的标准库中就有使用，例如在strlib.h头文件的qsort函数，它的原型为：

void qsort(void*__base, size_t __nmemb, size_t __size, int(*_compar)(const void *, const void*));

其中int(*_compar)(const void *, const void *)就是回调函数，这个函数用于qsort函数用于数据的比较。下面，我会举一个例子，来描述qsort函数的工作原理。

一般，我们使用下面这样的方式来定义函数指针：

这个时候，compare就是参数为const void *, const void *类型，返回值是int类型的函数。例如：

用typedef来定义的好处，就是可以使用一个简短的名称来表示一种类型，而不需要总是使用很长的代码来，这样不仅使得代码更加简洁易读，更是避免了代码敲写容易出错的问题。强烈推荐各位在定义结构体，指针（尤其是函数指针）等比较复杂的结构时，使用typedef来定义。

每一个函数本身也是一种程序数据，一个函数包含了多条执行语句，它被编译后，实质上是多条机器指令的合集。在程序载入到内存后，函数的机器指令存放在一个特定的逻辑区域：代码区。既然是存放在内存中，那么函数也是有自己的指针的。

C语言中，函数名作为右值时，就是这个函数的指针。

const和指针

const到底修饰谁？谁才是不变的？

如果const 后面是一个类型，则跳过最近的原子类型，修饰后面的数据。（原子类型是不可再分割的类型，如int, short , char，以及typedef包装后的类型）

如果const后面就是一个数据，则直接修饰这个数据。

深拷贝和浅拷贝

如果2个程序单元（例如2个函数）是通过拷贝他们所共享的数据的指针来工作的，这就是浅拷贝，因为真正要访问的数据并没有被拷贝。如果被访问的数据被拷贝了，在每个单元中都有自己的一份，对目标数据的操作相互不受影响，则叫做深拷贝。

附加知识

指针和引用这个2个名词的区别。他们本质上来说是同样的东西。指针常用在C语言中，而引用，则用于诸如Java，C#等 在语言层面封装了对指针的直接操作的编程语言中。

大端模式和小端模式

1) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。个人PC常用，Intel X86处理器是小端模式。

2) B i g-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。

采用大端方式进行数据存放符合人类的正常思维，而采用小端方式进行数据存放利于计算机处理。有些机器同时支持大端和小端模式,通过配置来设定实际的端模式。

假如 short类型占用2个字节，且存储的地址为0x30。

short a = 1;

如下图：

//测试机器使用的是否为小端模式。是，则返回true，否则返回false//这个方法判别的依据就是：C语言中一个对象的地址就是这个对象占用的字节中，地址值最小的那个字节的地址。

素材来源:网络，直接来源，一口linux，土豆居士

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