【C语言】（12）指针

指针在C语言中是一个非常重要的概念，它为程序员提供了直接访问内存的能力，使得数据操作更加灵活高效。理解并正确使用指针是掌握C语言的关键之一。

1. 指针的基本概念

指针本质上是一个变量，其存储的是另一个变量的内存地址。通过指针，我们可以间接访问和操作这个内存地址所对应的数据。指针的大小是根据cpu位数来决定的，如果是64位，一般占8字节。

指针的声明

在C语言中，声明一个指针需要使用*操作符，语法格式如下：

type *pointer_name;

这里type是指针所指向的数据的类型，pointer_name是指针变量的名称。例如：

int *ip;    // 指向整型数据的指针
double *dp; // 指向双精度浮点型数据的指针
char *cp;   // 指向字符型数据的指针

指针的初始化

指针变量在使用之前最好进行初始化，否则它可能指向一个随机的内存地址，从而导致程序崩溃。指针的初始化通常是将其指向一个已存在的变量的地址，或者是动态分配的内存区域的地址。例如：

int var = 10;
int *ip = &var; // ip现在指向变量var的地址

指针的解引用

解引用指针是通过指针访问或修改它指向的内存地址中存储的数据的过程。解引用指针也使用*操作符，例如：

int value = *ip; // 获取ip指向的内存地址中存储的整型数据

2. 指针的计算

在C语言中，指针的计算涉及到指针的加法、减法、比较以及与整数的算术运算。这些运算基于指针指向的数据类型的大小进行。这是因为，当你对指针进行算术运算时，它实际上是对指向的内存地址进行计算。

2.1 指针与整数的加减

当你给一个指针加上或减去一个整数时，实际上是在移动指针的位置。指针向前或向后移动的距离取决于它所指向的数据类型的大小。

int arr[5] = {
   10, 20, 30, 40, 50};
int *p = &arr[0]; // p 指向 arr 的第一个元素

p = p + 1; // 现在 p 指向 arr 的第二个元素，即 arr[1]

在上面的例子中，p + 1不仅仅是简单地将地址值增加1，而是将地址值增加sizeof(int)个单位，因为p是一个指向int的指针。

2.2 指针之间的减法

两个类型相同的指针相减得到的是它们之间的距离（以它们所指向类型的大小为单位）。

int *p1 = &arr[1];
int *p2 = &arr[4];

int n = p2 - p1; // n 的值是 3

上面的代码中，p2指向数组的第五个元素，p1指向第二个元素，它们之间相差3个int大小的单位。

2.3 指针的比较

指针之间可以使用比较运算符（如 ==, !=, <, >, <=, >=）。这通常用于确定两个指针是否指向同一个元素，或者判断它们的相对位置。

if (p1 < p2) {
   
    // 当 p1 指向的地址小于 p2 指向的地址时执行
}

2.4 注意事项

• 指针运算中的加减操作只有在同一个数组或数据结构中的元素之间进行时才是安全的。跨越不同数组或数据结构边界的指针运算可能会导致未定义的行为。
• 指针的算术运算不适用于void类型的指针，因为void类型的大小是未知的。
• 在进行指针运算时要特别注意指针溢出、越界等问题，这些都可能导致程序崩溃或安全漏洞。

2.5 示例代码

下面是一个使用指针算术计算的例子：

#include <stdio.h>

int main() {
   
    int arr[] = {
   10, 20, 30, 40, 50};
    int *ptr = arr; // 指向数组的开始

    for (int i = 0; i < 5; i++) {
   
        printf("arr[%d] = %d\n", i, *(ptr + i));
    }

    return 0;
}

这段代码将遍历数组arr，使用指针ptr加上偏移量i来访问数组的每个元素。

3. 二级指针

在C语言中，二级指针是指向指针的指针。它们通常用于处理指针数组或动态分配的二维数组，以及在函数中修改指针本身。

3.1 基本概念

二级指针是一个指针变量，它存储另一个指针变量的地址。可以将其视为指针的指针。

3.2 声明二级指针

二级指针的声明类似于一级指针，但需要两个星号（**）。例如：

int **ptr;

这里，ptr是一个指向指针的指针，而该指向的指针应指向int类型的数据。

3.3 使用二级指针

要理解二级指针的使用，首先要明白每级指针解引用的含义：

• 一级指针（*ptr）：存储普通变量的地址。
• 二级指针（**ptr）：存储一级指针的地址。

示例

假设有一个整型变量var和一个指向它的指针p，我们可以创建一个二级指针pp指向p：

int var = 23;
int *p = &var;
int **pp = &p;

使用二级指针访问var的值：

printf("Value of var = %d\n", **pp);

3.4 二级指针与动态内存

二级指针经常用于动态分配二维数组。例如，创建一个行数可变的二维整型数组：

int rows = 5;
int cols = 2;
int **array = (int **)malloc(rows * sizeof(int *));

for(int i = 0; i < rows; i++) {
   
    array[i] = (int *)malloc(cols * sizeof(int));
}

这里，array是一个二级指针，指向一个指针数组，每个指针又指向一个整型数组。

3.5 在函数中使用二级指针

二级指针可用于函数中，以修改一级指针本身。例如，编写一个函数，修改外部一级指针所指向的地址：

void modifyPointer(int **p) {
   
    int *temp = malloc(sizeof(int));
    *temp = 100;
    *p = temp;
}

调用modifyPointer时，可以传递一级指针的地址：

int *ptr;
modifyPointer(&ptr);

函数执行后，ptr将指向新分配的内存。

注意事项

• 使用二级指针时，务必确保指针被正确初始化。未初始化的指针可能导致程序崩溃。
• 动态分配的内存应当在使用完毕后释放，以避免内存泄漏。
• 在函数中修改指针时，确保理解指针解引用的层级。错误的解引用可能导致不可预料的结果。

4. 指针的高级应用

指针与数组

数组名本质上是一个常量指针，指向数组的第一个元素。因此，可以使用指针来遍历数组：

int arr[] = {
   1, 2, 3, 4, 5};
int *p = arr; // p指向数组的第一个元素
for (int i = 0; i < 5; i++) {
   
    printf("%d ", *(p + i)); // 逐个输出数组元素
}

指针与函数

指针可以作为函数参数传递，这样函数就能够修改调用者的数据。例如，实现一个交换两个整数的函数：

void swap(int *x, int *y) {
   
    int temp = *x;
    *x = *y;
    *y = temp;
}

动态内存分配

C语言提供了malloc、calloc、realloc和free等函数进行动态内存分配和释放。这在处理数据大小不确定的情况下非常有用：

int *arr = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); // 动态分配一个整型数组，包含10个元素
if (arr != NULL) {
   
    // 使用动态分配的内存
    free(arr); // 使用完毕后，释放内存
}

3. 注意事项

• 避免野指针：未初始化的指针可能导致程序崩溃，始终确保指针被正确初始化。
• 防止内存泄漏：动态分配的内存必须在适当的时候通过free函数释放。
• 确保指针操作安全：避免指针越界访问，确保指针操作不会导致程序访问非法内存。