1. 指针的基本概念

第 12 章 栈与队列讲过,堆栈有栈顶指针,队列有头指针和尾指针,这些概念中的“指针”本质上是一个整数,是数组的索引,通过指针访问数组中的某个元素。在图 20.3 “间接寻址”我们又看到另外一种指针的概念,把一个变量所在的内存单元的地址保存在另外一个内存单元中,保存地址的这个内存单元称为指针,通过指针和间接寻址访问变量,这种指针在C语言中可以用一个指针类型的变量表示,例如某程序中定义了以下全局变量:

int i;
int *pi = &i;
char c;
char *pc = &c;

这几个变量的内存布局如下图所示,在初学阶段经常要借助于这样的图来理解指针。

图 23.1. 指针的基本概念

指针的基本概念

这里的&是取地址运算符(Address Operator)&i表示取变量i的地址,int *pi = &i;表示定义一个指向int型的指针变量pi,并用i的地址来初始化pi。我们讲过全局变量只能用常量表达式初始化,如果定义int p = i;就错了,因为i不是常量表达式,然而用i的地址来初始化一个指针却没有错,因为i的地址是在编译链接时能确定的,而不需要到运行时才知道,&i是常量表达式。后面两行代码定义了一个字符型变量c和一个指向c的字符型指针pc,注意pipc虽然是不同类型的指针变量,但它们的内存单元都占4个字节,因为要保存32位的虚拟地址,同理,在64位平台上指针变量都占8个字节。

我们知道,在同一个语句中定义多个数组,每一个都要有[]号:int a[5], b[5];。同样道理,在同一个语句中定义多个指针变量,每一个都要有*号,例如:

int *p, *q;

如果写成int* p, q;就错了,这样是定义了一个整型指针p和一个整型变量q,定义数组的[]号写在变量后面,而定义指针的*号写在变量前面,更容易看错。定义指针的*号前后空格都可以省,写成int*p,*q;也算对,但*号通常和类型int之间留空格而和变量名写在一起,这样看int *p, q;就很明显是定义了一个指针和一个整型变量,就不容易看错了。

如果要让pi指向另一个整型变量j,可以重新对pi赋值:

pi = &j;

如果要改变pi所指向的整型变量的值,比如把变量j的值增加10,可以写:

*pi = *pi + 10;

这里的*号是指针间接寻址运算符(Indirection Operator)*pi表示取指针pi所指向的变量的值,也称为Dereference操作,指针有时称为变量的引用(Reference),所以根据指针找到变量称为Dereference。

&运算符的操作数必须是左值,因为只有左值才表示一个内存单元,才会有地址,运算结果是指针类型。*运算符的操作数必须是指针类型,运算结果可以做左值。所以,如果表达式E可以做左值,*&EE等价,如果表达式E是指针类型,&*EE等价。

指针之间可以相互赋值,也可以用一个指针初始化另一个指针,例如:

int *ptri = pi;

或者:

int *ptri;
ptri = pi;

表示pi指向哪就让ptri也指向哪,本质上就是把变量pi所保存的地址值赋给变量ptri

用一个指针给另一个指针赋值时要注意,两个指针必须是同一类型的。在我们的例子中,piint *型的,pcchar *型的,pi = pc;这样赋值就是错误的。但是可以先强制类型转换然后赋值:

pi = (int *)pc;

图 23.2. 把char *指针的值赋给int *指针

把char *指针的值赋给int *指针

现在pi指向的地址和pc一样,但是通过*pc只能访问到一个字节,而通过*pi可以访问到4个字节,后3个字节已经不属于变量c了,除非你很确定变量c的一个字节和后面3个字节组合而成的int值是有意义的,否则就不应该给pi这么赋值。因此使用指针要特别小心,很容易将指针指向错误的地址,访问这样的地址可能导致段错误,可能读到无意义的值,也可能意外改写了某些数据,使得程序在随后的运行中出错。有一种情况需要特别注意,定义一个指针类型的局部变量而没有初始化:

int main(void)
{
	int *p;
	...
	*p = 0;
	...
}

我们知道,在堆栈上分配的变量初始值是不确定的,也就是说指针p所指向的内存地址是不确定的,后面用*p访问不确定的地址就会导致不确定的后果,如果导致段错误还比较容易改正,如果意外改写了数据而导致随后的运行中出错,就很难找到错误原因了。像这种指向不确定地址的指针称为“野指针”(Unbound Pointer),为避免出现野指针,在定义指针变量时就应该给它明确的初值,或者把它初始化为NULL

int main(void)
{
	int *p = NULL;
	...
	*p = 0;
	...
}

NULL在C标准库的头文件stddef.h中定义:

#define NULL ((void *)0)

就是把地址0转换成指针类型,称为空指针,它的特殊之处在于,操作系统不会把任何数据保存在地址0及其附近,也不会把地址0~0xfff的页面映射到物理内存,所以任何对地址0的访问都会立刻导致段错误。*p = 0;会导致段错误,就像放在眼前的炸弹一样很容易找到,相比之下,野指针的错误就像埋下地雷一样,更难发现和排除,这次走过去没事,下次走过去就有事。

讲到这里就该讲一下void *类型了。在编程时经常需要一种通用指针,可以转换为任意其它类型的指针,任意其它类型的指针也可以转换为通用指针,最初C语言没有void *类型,就把char *当通用指针,需要转换时就用类型转换运算符(),ANSI在将C语言标准化时引入了void *类型,void *指针与其它类型的指针之间可以隐式转换,而不必用类型转换运算符。注意,只能定义void *指针,而不能定义void型的变量,因为void *指针和别的指针一样都占4个字节,而如果定义void型变量(也就是类型暂时不确定的变量),编译器不知道该分配几个字节给变量。同样道理,void *指针不能直接Dereference,而必须先转换成别的类型的指针再做Dereference。void *指针常用于函数接口,比如:

void func(void *pv)
{
	/* *pv = 'A' is illegal */
	char *pchar = pv;
	*pchar = 'A';
}

int main(void)
{
	char c;
	func(&c);
	printf("%c\n", c);
...
}

下一章讲函数接口时再详细介绍void *指针的用处。