详解C语言指针底层基本原理

说到指针，估计还是有很多小伙伴都还是云里雾里的，有点“知其然，而不知其所以然”。但是，不得不说，学了指针，C语言才能算是入门了。指针是C语言的「精华」，可以说，对对指针的掌握程度，「直接决定」了你C语言的编程能力。

在讲指针之前，我们先来了解下变量在「内存」中是如何存放的。

在程序中定义一个变量，那么在程序编译的过程中，系统会根据你定义变量的类型来分配「相应尺寸」的内存空间。那么如果要使用这个变量，只需要用变量名去访问即可。

通过变量名来访问变量，是一种「相对安全」的方式。因为只有你定义了它，你才能够访问相应的变量。这就是对内存的基本认知。但是，如果光知道这一点的话，其实你还是不知道内存是如何存放变量的，因为底层是如何工作的，你依旧不清楚。

那么如果要继续深究的话，你就需要把变量在内存中真正的样子是什么搞清楚。内存的最小索引单元是1字节，那么你其实可以把内存比作一个超级大的「字符型数组」。在上一节我们讲过，数组是有下标的，我们是通过数组名和下标来访问数组中的元素。那么内存也是一样，只不过我们给它起了个新名字：地址。每个地址可以存放「1字节」的数据，所以如果我们需要定义一个整型变量，就需要占据4个内存单元。

那么，看到这里你可能就明白了：其实在程序运行的过程中，完全不需要变量名的参与。变量名只是方便我们进行代码的编写和阅读，只有程序员和编译器知道这个东西的存在。而编译器还知道具体的变量名对应的「内存地址」，这个是我们不知道的，因此编译器就像一个桥梁。当读取某一个变量的时候，编译器就会找到变量名所对应的地址，读取对应的值。

初识指针和指针变量

那么我们现在就来切入正题，指针是个什么东西呢？

所谓指针，就是内存地址（下文简称地址）。C语言中设立了专门的「指针变量」来存储指针，和「普通变量」不一样的是，指针变量存储的是「地址」。

定义指针

指针变量也有类型，实际上取决于地址指向的值的类型。那么如何定义指针变量呢：

很简单：类型名* 指针变量名

char*pa;//定义一个字符变量的指针，名称为pa
int*pb;//定义一个整型变量的指针，名称为pb
float*pc;//定义一个浮点型变量的指针，名称为pc

注意，指针变量一定要和指向的变量的类型一样，不然类型不同可能在内存中所占的位置不同，如果定义错了就可能导致出错。

取地址运算符和取值运算符

获取某个变量的地址，使用取地址运算符&，如：

char*pa=&a;
int*pb=&f;

如果反过来，你要访问指针变量指向的数据，那么你就要使用取值运算符*，如：

printf("%c,%d ",*pa,*pb);

这里你可能发现，定义指针的时候也使用了*，这里属于符号的「重用」，也就是说这种符号在不同的地方就有不同的用意：在定义的时候表示「定义一个指针变量」，在其他的时候则用来「获取指针变量指向的变量的值」。

直接通过变量名来访问变量的值称之为直接访问，通过指针这样的形式访问称之为间接访问，因此取值运算符有时候也成为「间接运算符」。

比如：

//Example01
//代码来源于网络，非个人原创
#include
intmain(void)
{
chara='f';
intf=123;
char*pa=&a;
int*pf=&f;

printf("a=%c ",*pa);
printf("f=%d ",*pf);

*pa='c';
*pf+=1;

printf("now,a=%c ",*pa);
printf("now,f=%d ",*pf);

printf("sizeofpa=%d ",sizeof(pa));
printf("sizeofpf=%d ",sizeof(pf));

printf("theaddrofais:%p ",pa);
printf("theaddroffis:%p ",pf);

return0;
}

程序实现如下：

//Consequence 01
a = f
f = 123
now, a = c
now, f = 124
sizeof pa = 4
sizeof pf = 4
the addr of a is: 00EFF97F
the addr of f is: 00EFF970

避免访问未初始化的指针

voidf()
{
int*a;
*a=10;
}

像这样的代码是十分危险的。因为指针a到底指向哪里，我们不知道。就和访问未初始化的普通变量一样，会返回一个「随机值」。

但是如果是在指针里面，那么就有可能覆盖到「其他的内存区域」，甚至可能是系统正在使用的「关键区域」，十分危险。不过这种情况，系统一般会驳回程序的运行，此时程序会被「中止」并「报错」。

要是万一中奖的话，覆盖到一个合法的地址，那么接下来的赋值就会导致一些有用的数据被「莫名其妙地修改」，这样的bug是十分不好排查的，因此使用指针的时候一定要注意初始化。

指针和数组

有些读者可能会有些奇怪，指针和数组又有什么关系？这俩货明明八竿子打不着井水不犯河水。别着急，接着往下看，你的观点有可能会改变。

数组的地址

我们刚刚说了，指针实际上就是变量在「内存中的地址」，那么如果有细心的小伙伴就可能会想到，像数组这样的一大摞变量的集合，它的地址是啥呢？

我们知道，从标准输入流中读取一个值到变量中，用的是scanf函数，一般貌似在后面都要加上&，这个其实就是我们刚刚说的「取地址运算符」。如果你存储的位置是指针变量的话，那就不需要。

//Example02
intmain(void)
{
inta;
int*p=&a;

printf("请输入一个整数：");
scanf("%d",&a);//此处需要&
printf("a=%d ",a);

printf("请再输入一个整数：");
scanf("%d",p);//此处不需要&
printf("a=%d ",a);

return0;
}

程序运行如下：

//Consequence 02
请输入一个整数：1
a = 1
请再输入一个整数：2
a = 2

在普通变量读取的时候，程序需要知道这个变量在内存中的地址，因此需要&来取地址完成这个任务。而对于指针变量来说，本身就是「另外一个」普通变量的「地址信息」，因此直接给出指针的值就可以了。

试想一下，我们在使用scanf函数的时候，是不是也有不需要使用&的时候？就是在读取「字符串」的时候：

//Example03
#include
intmain(void)
{
charurl[100];
url[99]='�';
printf("请输入TechZone的域名：");
scanf("%s",url);//此处也不用&
printf("你输入的域名是：%s ",url);
return0;
}

程序执行如下：

//Consequence 03
请输入TechZone的域名：www.techzone.ltd
你输入的域名是：www.techzone.ltd

因此很好推理：数组名其实就是一个「地址信息」，实际上就是数组「第一个元素的地址」。

咱们试试把第一个元素的地址和数组的地址做个对比就知道了：

//Example03V2
#include
intmain(void)
{
charurl[100];
printf("请输入TechZone的域名：");
url[99]='�';
scanf("%s",url);
printf("你输入的域名是：%s ",url);

printf("url的地址为：%p ",url);
printf("url[0]的地址为：%p ",&url[0]);

if(url==&url[0])
{
printf("两者一致！");
}
else
{
printf("两者不一致！");
}
return0;
}

程序运行结果为：

//Comsequense 03 V2
请输入TechZone的域名：www.techzone.ltd
你输入的域名是：www.techzone.ltd
url的地址为：0063F804
url[0]的地址为：0063F804
两者一致！

这么看，应该是实锤了。那么数组后面的元素也就是依次往后放置，有兴趣的也可以自己写代码尝试把它们输出看看。

指向数组的指针

刚刚我们验证了数组的地址就是数组第一个元素的地址。那么指向数组的指针自然也就有两种定义的方法：

...
char*p;
//方法1
p=a;
//方法2
p=&a[0];

指针的运算

当指针指向数组元素的时候，可以对指针变量进行「加减」运算，+n表示指向p指针所指向的元素的「下n个元素」，-n表示指向p指针所指向的元素的「上n个元素」。并不是将地址加1。

如：

//Example04
#include
intmain(void)
{
inta[]={1,2,3,4,5};
int*p=a;
printf("*p=%d,*(p+1)=%d,*(p+2)=%d ",*p,*(p+1),*(p+2));
printf("*p->%p,*(p+1)->%p,*(p+2)->%p ",p,p+1,p+2);
return0;
}

执行结果如下：

//Consequence 04
*p = 1, *(p+1) = 2, *(p+2) = 3
*p -> 00AFF838, *(p+1) -> 00AFF83C, *(p+2) -> 00AFF840

有的小伙伴可能会想，编译器是怎么知道访问下一个元素而不是地址直接加1呢？

其实就在我们定义指针变量的时候，就已经告诉编译器了。如果我们定义的是整型数组的指针，那么指针加1，实际上就是加上一个sizeof(int)的距离。相对于标准的下标访问，使用指针来间接访问数组元素的方法叫做指针法。

其实使用指针法来访问数组的元素，不一定需要定义一个指向数组的单独的指针变量，因为数组名自身就是指向数组「第一个元素」的指针，因此指针法可以直接作用于数组名：

...
printf("p->%p,p+1->%p,p+2->%p ",a,a+1,a+2);
printf("a=%d,a+1=%d,a+2=%d",*a,*(a+1),*(a+2));
...

执行结果如下：

p->00AFF838,p+1->00AFF83C,p+2->00AFF840
b=1,b+1=2,b+2=3

现在你是不是感觉，数组和指针有点像了呢？不过笔者先提醒，数组和指针虽然非常像，但是绝对「不是」一种东西。

甚至你还可以直接用指针来定义字符串，然后用下标法来读取每一个元素：

//Example05
//代码来源于网络
#include
#include
intmain(void)
{
char*str="IloveTechZone!";
inti,length;

length=strlen(str);

for(i=0;i< length, i++)
{
printf("%c",str[i]);
}
printf(" ");

return0;
}

程序运行如下：

//Consequence 05
I love TechZone!

在刚刚的代码里面，我们定义了一个「字符指针」变量，并且初始化成指向一个字符串。后来的操作，不仅在它身上可以使用「字符串处理函数」，还可以用「下标法」访问字符串中的每一个字符。

当然，循环部分这样写也是没毛病的：

...
for(i=0,i< length, i++)
{
printf("%c",*(str+i));
}

这就相当于利用了指针法来读取。

指针和数组的区别

刚刚说了许多指针和数组相互替换的例子，可能有的小伙伴又开始说：“这俩货不就是一个东西吗？”

随着你对指针和数组越来越了解，你会发现，C语言的创始人不会这么无聊去创建两种一样的东西，还叫上不同的名字。指针和数组终究是「不一样」的。

比如笔者之前看过的一个例子：

//Example06
//代码来源于网络
#include
intmain(void)
{
charstr[]="IloveTechZone!";
intcount=0;

while(*str++!='�')
{
count++;
}
printf("总共有%d个字符。 ",count);

return0;
}

当编译器报错的时候，你可能会开始怀疑你学了假的C语言语法：

//Error in Example 06
错误(活动)E0137表达式必须是可修改的左值
错误C2105“++”需要左值

我们知道，*str++ != ‘�’是一个复合表达式，那么就要遵循「运算符优先级」来看。具体可以回顾《C语言运算符优先级及ASCII对照表》。

str++比*str的优先级「更高」，但是自增运算符要在「下一条语句」的时候才能生效。所以这个语句的理解就是，先取出str所指向的值，判断是否为�，若是，则跳出循环，然后str指向下一个字符的位置。

看上去貌似没啥毛病，但是，看看编译器告诉我们的东西：表达式必须是可修改的左值

++的操作对象是str，那么str到底是不是「左值」呢？

如果是左值的话，那么就必须满足左值的条件。

❝

拥有用于识别和定位一个存储位置的标识符

存储值可修改

❞

第一点，数组名str是可以满足的，因为数组名实际上就是定位数组第一个元素的位置。但是第二点就不满足了，数组名实际上是一个地址，地址是「不可以」修改的，它是一个常量。如果非要利用上面的思路来实现的话，可以将代码改成这样：

//Example06V2
//代码来源于网络
#include
intmain(void)
{
charstr[]="IloveTechZone!";
char*target=str;
intcount=0;

while(*target++!='�')
{
count++;
}
printf("总共有%d个字符。 ",count);

return0;
}

这样就可以正常执行了：

//Consequence 06 V2
总共有16个字符。

这样我们就可以得出：数组名只是一个「地址」，而指针是一个「左值」。

指针数组？数组指针？

看下面的例子，你能分辨出哪个是指针数组，哪个是数组指针吗？

int*p1[5];
int(*p2)[5];

单个的我们都可以判断，但是组合起来就有些难度了。

答案：

int*p1[5];//指针数组
int(*p2)[5];//数组指针

我们挨个来分析。

指针数组

数组下标[]的优先级是最高的，因此p1是一个有5个元素的「数组」。那么这个数组的类型是什么呢？答案就是int*，是「指向整型变量的指针」。因此这是一个「指针数组」。

那么这样的数组应该怎么样去初始化呢？

你可以定义5个变量，然后挨个取地址来初始化。

不过这样太繁琐了，但是，并不是说指针数组就没什么用。

比如：

//Example07
#include
intmain(void)
{
char*p1[5]={
"人生苦短，我用Python。",
"PHP是世界上最好的语言！",
"Onemorething...",
"一个好的程序员应该是那种过单行线都要往两边看的人。",
"C语言很容易让你犯错误；C++看起来好一些，但当你用它时，你会发现会死的更惨。"
};
inti;
for(i=0;i< 5; i++)
{
printf("%s ",p1[i]);
}
return0;
}

结果如下：

//Consequence 07
人生苦短，我用Python。
PHP是世界上最好的语言！
One more thing...
一个好的程序员应该是那种过单行线都要往两边看的人。
C语言很容易让你犯错误；C++看起来好一些，但当你用它时，你会发现会死的更惨。

这样是不是比二维数组来的更加直接更加通俗呢？

数组指针

()和[]在优先级里面属于「同级」，那么就按照「先后顺序」进行。

int(*p2)将p2定义为「指针」， 后面跟随着一个5个元素的「数组」，p2就指向这个数组。因此，数组指针是一个「指针」，它指向的是一个数组。

但是，如果想对数组指针初始化的时候，千万要小心，比如：

//Example08
#include
intmain(void)
{
int(*p2)[5]={1,2,3,4,5};
inti;
for(i=0;i< 5; i++)
{
printf("%d ",*(p2+i));
}
return0;
}

Visual Studio 2019报出以下的错误：

//Error and Warning in Example 08
错误(活动)E0146初始值设定项值太多
错误C2440“初始化”: 无法从“initializer list”转换为“int (*)[5]”
警告C4477“printf”: 格式字符串“%d”需要类型“int”的参数，但可变参数 1 拥有了类型“int *”

这其实是一个非常典型的错误使用指针的案例，编译器提示说这里有一个「整数」赋值给「指针变量」的问题，因为p2归根结底还是指针，所以应该给它传递一个「地址」才行，更改一下：

//Example08V2
#include
intmain(void)
{
inttemp[5]={1,2,3,4,5};
int(*p2)[5]=temp;
inti;
for(i=0;i< 5; i++)
{
printf("%d ",*(p2+i));
}
return0;
} //Error and Warning in Example 08 V2
错误(活动)E0144"int *" 类型的值不能用于初始化 "int (*)[5]" 类型的实体
错误C2440“初始化”: 无法从“int [5]”转换为“int (*)[5]”
警告C4477“printf”: 格式字符串“%d”需要类型“int”的参数，但可变参数 1 拥有了类型“int *”

可是怎么还是有问题呢？

我们回顾一下，指针是如何指向数组的。

inttemp[5]={1,2,3,4,5};
int*p=temp;

我们原本以为，指针p是指向数组的指针，但是实际上「并不是」。仔细想想就会发现，这个指针实际上是指向的数组的「第一个元素」，而不是指向数组。因为数组里面的元素在内存中都是挨着个儿存放的，因此只需要知道第一个元素的地址，就可以访问到后面的所有元素。

但是，这么来看的话，指针p指向的就是一个「整型变量」的指针，并不是指向「数组」的指针。而刚刚我们用的数组指针，才是指向数组的指针。因此，应该将「数组的地址」传递给数组指针，而不是将第一个元素的地址传入，尽管它们值相同，但是「含义」确实不一样：

//Example08V3
//Example08V2
#include
intmain(void)
{
inttemp[5]={1,2,3,4,5};
int(*p2)[5]=&temp;//此处取地址
inti;
for(i=0;i< 5; i++)
{
printf("%d ",*(*p2+i));
}
return0;
}

程序运行如下：

//Consequence 08
1
2
3
4
5

指针和二维数组

在上一节《C语言之数组》我们讲过「二维数组」的概念，并且我们也知道，C语言的二维数组其实在内存中也是「线性存放」的。

假设我们定义了：int array[4][5]

array

array作为数组的名称，显然应该表示的是数组的「首地址」。由于二维数组实际上就是一维数组的「线性拓展」，因此array应该就是指的指向包含5个元素的数组的指针。

如果你用sizeof()去测试array和array+1的话，就可以测试出来这样的结论。

*(array+1)

首先从刚刚的问题我们可以得出，array+1同样也是指的指向包含5个元素的数组的指针，因此*(array+1)就是相当于array[1]，而这刚好相当于array[1][0]的数组名。因此*(array+1)就是指第二行子数组的第一个元素的地址。

*(*(array+1)+2)

有了刚刚的结论，我们就不难推理出，这个实际上就是array[1][2]。是不是感觉非常简单呢？

总结一下，就是下面的这些结论，记住就好，理解那当然更好：

*(array+i)==array[i]
*(*(array+i)+j)==array[i][j]
*(*(*(array+i)+j)+k)==array[i][j][k]
...

数组指针和二维数组

我们在上一节里面讲过，在初始化二维数组的时候是可以偷懒的：

intarray[][3]={
{1,2,3},
{4,5,6}
};

刚刚我们又说过，定义一个数组指针是这样的：

int(*p)[3];

那么组合起来是什么意思呢？

int(*p)[3]=array;

通过刚刚的说明，我们可以知道，array是指向一个3个元素的数组的「指针」，所以这里完全可以将array的值赋值给p。

其实C语言的指针非常灵活，同样的代码用不同的角度去解读，就可以有不同的应用。

那么如何使用指针来访问二维数组呢？没错，就是使用「数组指针」：

//Example09
#include
intmain(void)
{
intarray[3][4]={
{0,1,2,3},
{4,5,6,7},
{8,9,10,11}
};
int(*p)[4];
inti,j;
p=array;
for(i=0,i< 3, i++)
{
for(j=0,j< 4, j++)
{
printf("%2d",*(*(p+i)+j));
}
printf(" ");
}
return0;
}

运行结果：

//Consequence 09
0 1 2 3
4 5 6 7
8 9 10 11

void指针

void实际上是无类型的意思。如果你尝试用它来定义一个变量，编译器肯定会「报错」，因为不同类型所占用的内存有可能「不一样」。但是如果定义的是一个指针，那就没问题。void类型中指针可以指向「任何一个类型」的数据，也就是说，任何类型的指针都可以赋值给void指针。

将任何类型的指针转换为void是没有问题的。但是如果你要反过来，那就需要「强制类型转换」。此外，不要对void指针「直接解引用」，因为编译器其实并不知道void指针会存放什么样的类型。

//Example10
#include
intmain(void)
{
intnum=1024;
int*pi=#
char*ps="TechZone";
void*pv;

pv=pi;
printf("pi:%p,pv:%p ",pi,pv);
printf("*pv:%d ",*pv);

pv=ps;
printf("ps:%p,pv:%p ",ps,pv);
printf("*pv:%s ",*pv);
}

这样会报错：

//Error in Example 10
错误C2100非法的间接寻址
错误C2100非法的间接寻址

如果一定要这么做，那么可以用「强制类型转换」：

//Example10V2
#include
intmain(void)
{
intnum=1024;
int*pi=#
char*ps="TechZone";
void*pv;

pv=pi;
printf("pi:%p,pv:%p ",pi,pv);
printf("*pv:%d ",*(int*)pv);

pv=ps;
printf("ps:%p,pv:%p ",ps,pv);
printf("*pv:%s ",pv);
}

当然，使用void指针一定要小心，由于void指针几乎可以「通吃」所有类型，所以间接使得不同类型的指针转换变得合法，如果代码中存在不合理的转换，编译器也不会报错。

因此，void指针能不用则不用，后面讲函数的时候，还可以解锁更多新的玩法。

NULL指针

在C语言中，如果一个指针不指向任何数据，那么就称之为「空指针」，用「NULL」来表示。NULL其实是一个宏定义：

#defineNULL((void*)0)

在大部分的操作系统中，地址0通常是一个「不被使用」的地址，所以如果一个指针指向NULL，就意味着不指向任何东西。为什么一个指针要指向NULL呢？

其实这反而是一种比较指的推荐的「编程风格」——当你暂时还不知道该指向哪儿的时候，就让它指向NULL，以后不会有太多的麻烦，比如：

//Example11
#include
intmain(void)
{
int*p1;
int*p2=NULL;
printf("%d ",*p1);
printf("%d ",*p2);
return0;
}

第一个指针未被初始化。在有的编译器里面，这样未初始化的变量就会被赋予「随机值」。这样指针被称为「迷途指针」，「野指针」或者「悬空指针」。如果后面的代码对这类指针解引用，而这个地址又刚好是合法的话，那么就会产生莫名其妙的结果，甚至导致程序的崩溃。因此养成良好的习惯，在暂时不清楚的情况下使用NULL，可以节省大量的后期调试的时间。

指向指针的指针

开始套娃了。其实只要你理解了指针的概念，也就没什么大不了的。

//Example12
#include
intmain(void)
{
intnum=1;
int*p=#
int**pp=&p;

printf("num:%d ",num);
printf("*p:%d ",*p);
printf("**p:%d ",**pp);
printf("&p:%p,pp:%p ",&p,pp);
printf("&num:%p,p:%p,*pp:%p ",&num,p,*pp);
return0;
}

程序结果如下：

//Consequence 12
num: 1
*p: 1
**p: 1
&p: 004FF960, pp: 004FF960
&num: 004FF96C, p: 004FF96C, *pp: 004FF96C

当然你也可以无限地套娃，一直指下去。不过这样会让代码可读性变得「很差」，过段时间可能你自己都看不懂你写的代码了。

指针数组和指向指针的指针

那么，指向指针的指针有什么用呢？

它可不是为了去创造混乱代码，在一个经典的实例里面，就可以体会到它的用处：

char*Books[]={
"《C专家编程》",
"《C和指针》",
"《C的陷阱与缺陷》",
"《CPrimerPlus》",
"《Python基础教程（第三版）》"
};

然后我们需要将这些书进行分类。我们发现，其中有一本是写Python的，其他都是C语言的。这时候指向指针的指针就派上用场了。首先，我们刚刚定义了一个指针数组，也就是说，里面的所有元素的类型「都是指针」，而数组名却又可以用指针的形式来「访问」，因此就可以使用「指向指针的指针」来指向指针数组：

...
char**Python;
char**CLang[4];

Python=&Books[5];
CLang[0]=&Books[0];
CLang[1]=&Books[1];
CLang[2]=&Books[2];
CLang[3]=&Books[3];
...

因为字符串的取地址值实际上就是其「首地址」，也就是一个「指向字符指针的指针」，所以可以这样赋值。

这样，我们就利用指向指针的指针完成了对书籍的分类，这样既避免了浪费多余的内存，而且当其中的书名要修改，只需要改一次即可，代码的灵活性和安全性都得到了提升。

常量和指针

常量，在我们目前的认知里面，应该是这样的：

520, 'a'

或者是这样的：

#defineMAX1000
#defineB'b'

常量和变量最大的区别，就是前者「不能够被修改」，后者可以。那么在C语言中，可以将变量变成像具有常量一样的特性，利用const即可。

constintmax=1000;
constchara='a';

在const关键字的作用下，变量就会「失去」本来具有的可修改的特性，变成“只读”的属性。

指向常量的指针

强大的指针当然也是可以指向被const修饰过的变量，但这就意味着「不能通过」指针来修改它所引用的值。总结一下，就是以下4点：

指针可以修改为指向不同的变量

指针可以修改为指向不同的常量

可以通过解引用来读取指针指向的数据

不可以通过解引用来修改指针指向的数据

常量指针

指向非常量的常量指针

指针本身作为一种「变量」，也是可以修改的。因此，指针也是可以被const修饰的，只不过位置稍稍「发生了点变化」：

...
int*constp=#
...

这样的指针有如下的特性：

指针自身不能够被修改

指针指向的值可以被修改

指向常量的常量指针

在定义普通变量的时候也用const修饰，就得到了这样的指针。不过由于限制太多，一般很少用到：

...
intnum=100;
constintcnum=200;
constint*constp=&cnum;
...

审核编辑：汤梓红