水滴石穿C語言之指針綜合談

2019-11-17 05:20:06

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概述

　　Joel Spolsky認為，對指針的理解是一種aptitude，不是通過練習就可以達到的。雖然如此，我還是想談一談這個C/C++語言中最強勁也是最輕易出錯的要素。

　　鑒于指針和目前計算機內存結構的關聯，很多C語言比較本質的特點都孕育在其中，因此，本篇和第六、第七兩篇我都將以指針為主線，結合在實際編程中碰到的問題，來具體談談關于指針的幾個重要方面。

　　指針類型的本質分析

　　1、指針的本質

　　指針的本質：一種復合的數據類型。下面我將以下面幾個作為例子進行展開分析：

　　a)、int *p;
　　b)、int **p;
　　c)、int (*parValue)[3];
　　d)、int (*pFun)();

　　分析：

　　所謂的數據類型就是具有某種數據特征的東東，比如數據類型char，它的數據特征就是它所占據的內存為1個字節, 指針也很類似，指針所指向的值也占據著內存中的一塊地址，地址的長度與指針的類型有關，比如對于char型指針，這個指針占據的內存就是1個字節，因此指針也是一種數據類型，但我們知道指針本身也占據了一個內存空間地址，地址的長度和機器的字長有關，比如在32位機器中，這個長度就是4個字節，因此指針本身也同樣是一種數據類型，因此，我們說，指針其實是一種復合的數據類型，

　　好了，現在我們可以分析上面的幾個例子了。

　　假設有如下定義：

int nValue;
　　那么，nValue的類型就是int，也就是把nValue這個具體變量去掉后剩余的部分，因此，上面的4個聲明可以類比進行分析：

　　a)、int *

　　*代表變量（指針本身）的值是一個地址，int代表這個地址里面存放的是一個整數，這兩個結合起來，int *定義了一個指向整數的指針，類推如下:

　　b)、int **

　　指向一個指向整數的指針的指針。

　　c)、int (*)[3]

　　指向一個擁有三個整數的數組的指針。

　　d)、int (*)()

　　指向一個函數的指針，這個函數參數為空，返回值為整數。

　　分析結束，從上面可以看出，指針包括兩個方面，一個是它本身的值，是一個內存中的地址；另一個是指針所指向的物，是這個地址中所存放著具有各種各樣意義的數據。

　　2、對指針本身值的分析

　　下面例子考察指針本身的值（環境為32位的計算機）：

void *p = malloc( 100 );
　　請計算sizeof ( p ) = ?

char str[] = “Hello” ;
char *p = str ;
　　請計算sizeof ( p ) = ?

void Func ( char str[100])
{
請計算 sizeof( str ) = ? //注重，此時，str已經退化為一個指針，詳情見
//下一篇指針與數組
}
　　分析：上面的例子，答案都是4，因為從上面的討論可以知道，指針本身的值對應著內存中的一個地址，它的size只與機器的字長有關（即它是由系統的內存模型決定的），在32位機器中，這個長度是4個字節。

　　3、對指針所指向物的分析

　　現在再對指針這個復合類型的第二部分，指針所指向物的意義進行分析。

　　上面我們已經得到了指針本身的類型，那么將指針本身的類型去掉 “*”號就可得到指針所指向物的類型，分別如下：

　　a)、int

　　所指向物是一個整數。

　　b)、int*

　　所指向物是一個指向整數的指針。

　　c)、int ()[3]

　　()為空，可以去掉，變為int [3]，所指向物是一個擁有三個整數的數組。

　　d)、int ()()

　　第一個()為空，可以去掉，變為int (),所指向物是一個函數，這個函數的參數為空，返回值為整數。

　　4、附加分析

　　另外，關于指針本身大小的問題，在C++中與C有所不同，這里我也順帶談一下。

　　在C++中，對于指向對象成員的指針，它的大小不一定是4個字節，這主要是因為在引入多重虛擬繼續以及虛擬函數的時候，有些附加的信息也需要通過這個指針進行傳遞，因此指向對象成員的指針會增大，不論是指向成員數據，還是成員函數都是如此，具體與編譯器的實現有關，你可以編寫個很小的C++程序去驗證一下。另外，對一個類的靜態成員（static member，可以是靜態成員變量或者靜態成員函數）來說，指向它的指針只是普通的函數指針，而不是一個指向類成員的指針，所以它的大小不會增加，仍然是4個字節。　　指針運算符&和*

　　“&和*”，它們是一對相反的操作，’&’取得一個物的地址（也就是指針本身），’*’得到一個地址里放的物（指針所指向的物）。這個東西可以是值（對象）、函數、數組、類成員（class member）等等。

　　參照上面的分析我們可以很好地理解&與*。

　　使用指針的好處？

　　關于指針的本質和基本的運算符我們討論過了，在這里，我想再籠總地談一談使用指針的必要性和好處，為我們今后的使用和對后面篇章的理解做好鋪墊。簡而言之，指針有以下好處：

　　1)、方便使用動態分配的數組。

　　這個解釋我放在本系列第六篇中進行講解。

　　2)、對于相同類型（甚至是相似類型）的多個變量進行通用訪問。

　　就是用一個指針變量不斷在多個變量之間指來指去，從而使得非常應用起來非常靈活，不過，這招也比較危險，需要小心使用：因為出現錯誤的指針是編程中非常忌諱的事情。

　　3)、變相改變一個函數的值傳遞特性。

　　說白了，就是指針的傳地址作用，將一個變量的地址作為參數傳給函數，這樣函數就可以修改那個變量了。

　　4)、節省函數調用代價。

　　我們可以將參數，尤其是大個的參數（例如結構，對象等），將他們地址作為參數傳給函數，這樣可以省去編譯器為它們制作副本所帶來的空間和時間上的開銷。

　　5)、動態擴展數據結構。

　　因為指針可以動態地使用malloc/new生成堆上的內存，所以在需要動態擴展數據結構的時候，非常有用；比如對于樹、鏈表、Hash表等，這幾乎是必不可少的特性。

　　6)、與目前計算機的內存模型相對應，可按照內存地址進行直接存取，這使得C非常適合于一些較底層的應用。

　　這也是C/C++指針一個強大的優點，我會在后面講述C語言的底層操作時，較具體地介紹這個優點的應用。

　　7)、遍歷數組。

　　據個例子來說吧，當你需要對字符串數組進行操作時，想一想，你當然要用字符串指針在字符串上掃來掃去。

　　…實在太多了，你可以慢慢來補充^_^。
　　指針本身的相關問題

　　1、問題：空指針的定義

　　曾經看過有的.h文件將NULL定義為0L，為什么？

　　答案與分析：

　　這是一個關于空指針宏定義的問題。指針在C語言中是經常使用的，有時需要將一個指針置為空指針，例如在指針變量初始化的時候。
C語言中的空指針和Pascal或者Lisp語言中的NIL具有相同的地位。那如何定義空指針呢？下面的語句是正確的：

char *p1 = 0;
int *p2;
if (p != 0)
{
...
}
p2 = 0;
　　也就是說，在指針變量的初始化、賦值、比較操作中，0會被編譯器理解為要將指針置為空指針。至于空指針的內部表示是否是0，則隨不同的機器類型而定，不過通常都是0。但是在另外一些場合下，例如函數的參數原型是指針類型，函數調用時假如將0作為參數傳入，編譯器則不能將其理解為空指針。此時需要明確的類型轉換，例如：

void func (char *p);
func ((char *)0);
　　一般情況下，0是可以放在代碼中和指針關聯使用的，但是有些程序員（數量還不少呦！也許就包括你在內）不喜歡0的直白，認為其不能表示作為指針的非凡含義，于是要定義一個宏NULL，來明確表示空指針常量。這也是對的，人家C語言標準就明確說：“ NULL應該被定義為與實現相關的空指針常量”。但是將NULL定義成什么樣的值呢？我想你一定見過好幾種定義NULL的方法：

#define NULL 0
#define NULL (char *)0
#define NULL (void *)0
　　在我們使用的絕大多數計算系統上，例如PC，上述定義是能夠工作的。然而，世界上還有很多其它種類的計算機，其CPU也不是Intel的。在某些系統上，指針和整數的大小和內部表示并不一致，甚至不同類型的指針的大小都不一致。為了避免這種可移植性問題，0L是一種最為安全的、最妥帖的定義方式。0L的含義是： “值為0的整數常量表達式”。這與C語言給出的空指針定義完全一致。因此，建議采用0L作為空指針常量NULL的值。

　　其實 NULL定義值，和操作系統的的平臺有關，將一個指針定義為 NULL，其用意是為了保護操作系統，因為通過指針可以訪問任何一塊地址，但是，有些數據是不許一般用戶訪問的，比如操作系統的核心數據。當我們通過一個空(NULL)的指針去方位數據時，系統會提示非法，那么系統又是如何知道的呢？？

　　以windows2000系統為例，該系統規定系統中每個進程的起始地址（0x00000000）開始的某個地址范圍內是存放系統數據的，用戶進程無法訪問，所以當用戶用空指針（0）訪問時，其實訪問的就是0x00000000地址的系統數據，由于該地址數據是受系統保護的，所以系統會提示錯誤(指針訪問非法)。

　　這也就是說NULL值不一定要定義成0，起始只要定義在系統的保護范圍的地址空間內，比如定義成(0x00000001, 0x00000002)都會起到相同的作用，但是為了考慮到移植性，普遍定義為0 。

　　2、問題：與指針相關的編程規則&規則分析

　　指針既然這么重要，而且輕易出錯，那么有沒有方法可以很好地減少這些指針相關問題的出現呢？

　　答案與分析：

　　減少出錯的根本是徹底理解指針。

　　在方法上，遵循一定的編碼規則可能是最立竿見影的方法了，下面我來闡述一下與指針相關的編程規則：

　　1) 未使用的指針初始化為NULL 。

　　2) 在給指針分配空間前、分配后均應作判定。

　　3) 指針所指向的內容刪除后也要清除指針本身。

　　要牢記指針是一個復合的數據結構這個本質，所以我們不論初始化和清除都要同時兼顧指針本身（上述規則1，3）和指針所指向的內容（上述規則2，3）這兩個方面。

　　遵循這些規則可以有效地減少指針出錯，我們來看下面的例子：

void Test(void)
{
　char *str = (char *) malloc(100);
　strcpy(str, “hello”);
　free(str);
　if(str != NULL)
　{
　　strcpy(str, “world”);
　　PRintf(str);
　}
}
　　請問運行Test函數會有什么樣的結果？

　　答：

　　篡改動態內存區的內容，后果難以預料，非常危險。因為free(str);之后，str成為野指針，if(str != NULL)語句不起作用。

　　假如我們牢記規則3，在free(str)后增加語句：

str = NULL;
　　那么，就可以防止這樣的錯誤發生。

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