C语言指针基础篇

一、地址、指针的概念

计算机中所有的数据都必须放在内存中，不同类型的数据占用的字节数不一样，例如 int 占用4个字节，char 占用1个字节。为了正确地访问这些数据，必须为每个字节都编上号码，就像门牌号、身份证号一样，每个字节的编号是唯一的，根据编号可以准确地找到某个字节。

下图是 4G 内存中每个字节的编号（以十六进制表示）：

内存.png

我们将内存中字节的编号称为地址（Address）或指针（Pointer）。地址从 0 开始依次增加，对于 32 位环境，程序能够使用的内存为 4GB，最小的地址为 0，最大的地址为 0XFFFFFFFF。

下面的代码演示了如何输出一个地址：

#include <stdio.h>

int main(){
    int a = 100;
    char str[20] = "c.biancheng.net";
    printf("%#X, %#X\n", &a, str);
    return 0;
}

运行结果：
0X28FF3C, 0X28FF10

%#X表示以十六进制形式输出，并附带前缀0X。a 是一个变量，用来存放整数，需要在前面加&来获得它的地址；str 本身就表示字符串的首地址，不需要加&。

二、一切都是地址

C语言用变量来存储数据，用函数来定义一段可以重复使用的代码，它们最终都要放到内存中才能供 CPU 使用。

数据和代码都以二进制的形式存储在内存中，计算机无法从格式上区分某块内存到底存储的是数据还是代码。当程序被加载到内存后，操作系统会给不同的内存块指定不同的权限，拥有读取和执行权限的内存块就是代码，而拥有读取和写入权限（也可能只有读取权限）的内存块就是数据。

CPU 访问内存时需要的是地址，而不是变量名和函数名！变量名和函数名只是地址的一种助记符，当源文件被编译和链接成可执行程序后，它们都会被替换成地址。编译和链接过程的一项重要任务就是找到这些名称所对应的地址。

假设变量 a、b、c 在内存中的地址分别是 0X1000、0X2000、0X3000，那么加法运算c = a + b;将会被转换成类似下面的形式：

0X3000 = (0X1000) + (0X2000);

( )表示取值操作，整个表达式的意思是，取出地址 0X1000 和 0X2000 上的值，将它们相加，把相加的结果赋值给地址为 0X3000 的内存。

变量名和函数名为我们提供了方便，让我们在编写代码的过程中可以使用易于阅读和理解的英文字符串，不用直接面对二进制地址，那场景简直让人崩溃。

** 注意：虽然变量名、函数名、字符串名和数组名在本质上是一样的，它们都是地址的助记符，但在编写代码的过程中，我们认为变量名表示的是数据本身，而函数名、字符串名和数组名表示的是代码块或数据块的首地址。**

三、指针变量

数据在内存中的地址也称为指针，如果一个变量存储了一份数据的指针，我们就称它为指针变量。这样的一份数据可以是数组、字符串、函数，也可以是另外的一个普通变量或指针变量。

现在假设有一个 char 类型的变量 c，它存储了字符 'K'（ASCII码为十进制数 75），并占用了地址为 0X11A 的内存（地址通常用十六进制表示）。另外有一个指针变量 p，它的值为 0X11A，正好等于变量 c 的地址，这种情况我们就称 p 指向了 c，或者说 p 是指向变量 c 的指针。

图.png

四、定义指针变量

定义指针变量与定义普通变量非常类似，不过要在变量名前面加星号*，格式为：

datatype *name;
//或者
datatype *name = value;

其中*表示这是一个指针变量，datatype表示该指针变量所指向的数据的类型 。例如：

int *p1;

p1 是一个指向 int 类型数据的指针变量，至于 p1 究竟指向哪一份数据，应该由赋予它的值决定。再如：

int a = 100;
int *p_a = &a;

// 下面两行代码效果同上一行代码
int *p_a ；
p_a = &a;

在定义指针变量 p_a 的同时对它进行初始化，并将变量 a 的地址赋予它，此时 p_a 就指向了 a。值得注意的是，p_a 需要的一个地址，a 前面必须要加取地址符&，否则是不对的。

*是一个特殊符号，表明一个变量是指针变量，定义 p1、p2 时必须带*。而给 p1、p2 赋值时，因为已经知道了它是一个指针变量，就没必要多此一举再带上*，后边可以像使用普通变量一样来使用指针变量。也就是说，定义指针变量时必须带*，给指针变量赋值时不能带*。

指针变量也可以连续定义，例如：

int *a, *b, *c;  //a、b、c 的类型都是 int*

和普通变量一样，指针变量也可以被多次写入，只要你想，随时都能够改变指针变量的值，，请看下面的代码：

//定义普通变量
float a = 99.5, b = 10.6;
char c = '@', d = '#';
//定义指针变量
float *p1 = &a;
char *p2 = &c;
//修改指针变量的值
p1 = &b;
p2 = &d;

五、通过指针变量取得数据

指针变量存储了数据的地址，通过指针变量能够获得该地址上的数据，格式为：

*pointer;

这里的*称为指针运算符，用来取得某个地址上的数据，请看下面的例子：

#include <stdio.h>
int main(){
    int a = 15;
    int *p = &a;
    printf("%d, %d\n", a, *p);  //两种方式都可以输出a的值
    return 0;
}

运行结果：
15, 15
假设 a 的地址是 0X1000，p 指向 a 后，p 本身的值也会变为 0X1000，*p 表示获取地址 0X1000 上的数据，也即变量 a 的值。从运行结果看，*p 和 a 是等价的。

上面我们说过，CPU 读写数据必须要知道数据在内存中的地址，普通变量和指针变量都是地址的助记符，虽然通过 *p 和 a 获取到的数据一样，但它们的运行过程稍有不同：a 只需要一次运算就能够取得数据，而*p 要经过两次运算，多了一层“间接”。
使用指针是间接获取数据，使用变量名是直接获取数据，前者比后者的代价要高。

指针除了可以获取内存上的数据，也可以修改内存上的数据，例如：

#include <stdio.h>
int main(){
    int a = 15, b = 99, c = 222;
    int *p = &a;  //定义指针变量
    *p = b;  //通过指针变量修改内存上的数据
    c = *p;  //通过指针变量获取内存上的数据
    printf("%d, %d, %d, %d\n", a, b, c, *p);
    return 0;
}

*p 代表的是 a 中的数据，它等价于 a，可以将另外的一份数据赋值给它，也可以将它赋值给另外的一个变量。

六、对星号*的总结

在我们目前所学到的语法中，星号*主要有三种用途：

• 表示乘法，例如int a = 3, b = 5, c; c = a * b;，这是最容易理解的。

• 表示定义一个指针变量，以和普通变量区分开，例如int a = 100; int *p = &a;。

• 表示获取指针指向的数据，是一种间接操作，例如int a, b, *p = &a; *p = 100; b = *p;。