理解C语言——从小菜到大神的晋级之路（7）——指针变量

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指针是C语言中极为重要的部分，在实际的开发中也有着非常广泛的应用，甚至是实现某些计算的唯一途径。想要熟练使用C语言，必须对指针这一类型有较为深刻的理解。总体上来讲，所有的指针类型数据保存的都只有一种数据类型，就是内存的地址。

1、内存和地址

我们知道，内存条是计算机内部一个极为重要的部分，是计算机想要运行所必须的组件。内存条中根据其容量的不同包含数目不等的存储单元，这些储存单元本质上都是二进制的比特位存储器，按照高低电平的形式表示1和0。为了使用方便，每一个存储单元包括8个二进制单元，构成一个字节。内存的这种结构也是操作系统和运行在操作系统上的进程使用存储空间的基础。



我们知道，应用程序必须运行在操作系统之上，然而应用程序不能直接访问某内存单元的实际物理地址。实际上，在操作系统之上内存的实际物理地址完全不可见，而必须由操作系统映射。这部分工作由操作系统实现，对于程序员和应用程序而言是不可见的。在C语言编写的程序中，同样不可能操作某一个指定物理地址的内存单元，而是只能进程的地址空间的一部分。C程序的地址空间一般分为几个部分：

程序代码区：保存函数执行的二进制机器代码；
字符串常量区：保存程序使用的字符串常量；
全局/静态数据区：由编译器进行分配。初始化的和未初始化的全局/静态数据分别存放与不同的位置。这部分数据的生命周期为整个程序的运行期，在程序结束后由系统回收；
堆：在内存中开辟的另一块存储区，其分配和回收由程序员操作。
栈：在程序运行时分配，用于存放局部变量、函数的参数等。其回收由编译器自动完成。

在C语言编程过程中，我们所用到的内存地址可能包含以上五种类型的任意一种，但最常用的，通常在于堆和栈区。内存实际的物理地址可能较为混乱或碎片化，但是经过操作系统映射后，整个地址空间依旧是一块完整的连续内存地址。

我们可以把内存单元看做是一排相邻而建的房子，每个房子都有自己的门牌号，第一间门牌号是0，第二间是1，以此类推。每一个房子里住一个人，相当于保存在内存单元中的一个字节数据。字节数据是计算机允许对存储设备按地址进行数据读写的最小单位，如果需要对比字节更小的比特位操作，则必须完整读取该字节后再使用位运算进行处理。



如果一个家庭中包括多个成员，那么一间房肯定是不够的，那么相对于“一个人”这个较小的个体，保存“家庭”这个个体则需要相邻的几间房子。同样，为了保存比字节更大的数据，通常把两个或更多个字节组合在一起组成一个更大的内存单位。如short型数据用于表示短整型，占据两个字节；最常用的int类型占据四个字节；而像long long、double和long double类型将占据8个字节（VS编译器下）。对于这样的数据，虽然包含多个字节，但是依然只有一个地址，就好比这是一个的套间，虽然包含几间房，但是仍然只有一个门牌号。

2、指针变量的定义和使用

定义一个指针变量，表示定义一个值表示某种数据类型的地址。如定义一个指向整型变量的指针，方法为：

int *pNum;

这样定义的指针变量，其值是未知的，指针指向一个不可知的位置，也就是通常所说的“野指针”。使用这样的野指针是绝对不允许的，因为可能会造成严重后果，如程序崩溃甚至操作系统崩溃。在每定义一个指针变量后，应或者将其初始化为空指针NULL，或者指向一个合法的位置。获取某个变量的地址可以通过取地址运算符‘&’实现。如：

int *pEmpty = NULL;      //定义一个整型指针变量，并初始化为NULL
int num = 1;                  //定义一个整型变量，并初始化为1
int *pNum = &num      //定义一个整型指针变量，并初始化为整型变量num的地址

这样，我们就可以通过指针变量的值判断其有效性：如果变量为空指针，那么该指针不可用；如果非空，那么该指针指向一个合法的地址。但是我们必须时刻注意，一旦指针指向的对象不复存在，那么必须立即将该指针赋值为NULL，否则将变为野指针。
与指向整形数据的指针类似，指向单精度浮点型和指向字符型等数据数据类型的指针变量同样使用“类型名 *指针变量名”来声明或定义；

float *pFloatNum = NULL;
char grade = 'A';
char *pChar = &grade;

这两种方式都是对变量grade进行操作。通过指针操作的方法中，我们可以看到指针变量前加了星号*，这里的星号是解引用操作符，或者叫做间接访问操作符。它的作用同取地址运算符相反，用于获取指针变量所指向的数据的值。打个比方，假设小明住在502号房。某一天快递小哥来送货，如果他认识小明，那么可以看到货物上的名字就直接去找到他，这就相当于对变量进行运算；如果他不认识小明，那么他只能去传达室找看门大爷问到小明的地址，然后去到小明住的502号房找到他，这种时候传达室就相当于指针变量，因为传达室里有小明的地址，快递小哥通过传达室的地址找到小明就相当于通过指针进行运算。

3、二级指针

我们已经知道了指针变量可以保存各种数据类型的地址，那么指针指向的内容能否是另一个指针？回答是可以。指向另一个指针变量的指针称为二级指针，也就是“指向指针的指针”。不仅如此，指针还可以支持指向更多级，即“指向指针的指针的......的指针”。多级指针的定义方式同单级指针类似，区别只在于指针符号*的个数。
定义指向整型变量的一个二级指针的方式如：

int **ppNum = NULL;

指针变量ppNum可以保存另一个指针变量的地址：

int num = 1;
int *pNum = #
ppNum = &pNum;

还是用送快递的例子来做比喻。假设今天下午小明要到小丽的寝室去帮她修电脑，可是不巧那时候会有快递送来，那该怎么办呢？小明于是将一张纸条贴在寝室门上，写着“如果快递送到，我在10栋204号房”。这时，当快递小哥到了以后，先从看门大爷那儿知道了小明的寝室502，然后到了502之后发现这里还是一个地址，再根据这个地址才能找到小明本人。这时，传达室里保存的就不再是小明本人的地址，而是保存着小明的地址的地址，如此，传达室便是一个二级指针，它的内容——小明的寝室502变成了一级指针，直接指向小明本人。
如果我们希望通过二级指针操作目标数据的内容，其方法也与一级指针类似，只是需要两次解引用：

**ppNum = 3;

通过上面的内容，我们也许可以这样理解：无论定义几级指针，最终的数据类型都是最前面所规定的类型，而变量前面加了几个*，代表它需要做几次解引用操作才能获取到实际的值。如int *pNum，实际上*pNum就是整型数据，而变量前面加了一个*表示它必须进行一次按地址取值才能获得实际的值，因此pNum是一个一级指针变量；而int **ppNum类似，**ppNum也是一个整型数据，变量ppNum只有做两次按地址取值才能获得数据，因此变量ppNum是一个二级指针变量。

4、指针变量做函数的参数

在上一节中我们了解了函数定义和调用的方法，并且通过一个试图交换两个数字的函数说明了参数传递的单向性，即子函数的形参是调用时生成的与实参数值相同但是地址不同的另外一个实体，对形参的修改不会对实参造成影响。那么有什么办法使得函数可以通过操作形参来影响实参呢？如果使用指针变量作为函数的参数则可以轻松实现这个功能。比如我们使用指针变量来重写两个整数交换的函数：

void swap(int *pNum1, int *pNum2)
{
int temp;
temp = *pNum1;
*pNum1 = *pNum2;
*pNum2 = temp;
}

在这个函数中，pNum1和pNum2两个指针变量保存的是实参的地址。在函数调用的过程中，两个指针变量会被生成一份拷贝作为形参，虽然是与实参不同的指针变量，但是指向的却是相同的地址。在子函数内部进行数字交换的过程中，所有操作都是对指针变量所指向的值进行操作，因此实参的值也会成功修改。
这里需要注意的是，一级指针可以修改指向的数据的值，但是由于形参的指针变量仍然是一个复制品，子函数内部对指针变量本身的修改是无效的。如果希望在子函数内部修改指针变量，那么参数声明必须使用二级指针。