C语言指针

一、指针的内存布局

先看下面的例子:
   int *p;
大家都知道这里定义了一个指针p。但是p 到底是什么东西呢?还记得第一章里说过,“任何一种数据类型我们都可以把它当一个模子”吗?p,毫无疑问,是某个模子咔出来的。

我们也讨论过,任何模子都必须有其特定的大小,这样才能用来“咔咔咔”。那咔出p 的这个模子到底是什么样子呢?它占多大的空间呢?现在用sizeof 测试一下(32 位系统):sizeof(p)的值为4。嗯,这说明咔出p 的这个模子大小为4 个byte。显然,这个模子不是“int”,虽然它大小也为4。既然不是“int”那就一定是“int *”了。好,那现在我们可以这么理解这个定义:

一个“int *”类型的模子在内存上咔出了4 个字节的空间,然后把这个4 个字节大小的空间命名为p,同时限定这4 个字节的空间里面只能存储某个内存地址,即使你存入别的任何数据,都将被当作地址处理,而且这个内存地址开始的连续4 个字节上只能存储某个int类型的数据。

这是一段咬文嚼字的说明,我们还是用图来解析一下:

如上图所示,我们把p 称为指针变量,p 里存储的内存地址处的内存称为p 所指向的内存。

指针变量p 里存储的任何数据都将被当作地址来处理。

我们可以简单的这么理解:一个基本的数据类型(包括结构体等自定义类型)加上“*”号就构成了一个指针类型的模子。这个模子的大小是一定的,与“*”号前面的数据类型无关。“*”号前面的数据类型只是说明指针所指向的内存里存储的数据类型。所以,在32 位系统下,不管什么样的指针类型,其大小都为4byte。可以测试一下sizeof(void *)。

二、“*”与防盗门的钥匙

这里这个“*”号怎么理解呢?举个例子:当你回到家门口时,你想进屋第一件事就是拿出钥匙来开锁。那你想想防盗门的锁芯是不是很像这个“*”号?你要进屋必须要用钥匙,那你去读写一块内存是不是也要一把钥匙呢?这个“*”号就是不是就是我们最好的钥匙?

使用指针的时候,没有它,你是不可能读写某块内存的。

三、int *p = NULL 和*p = NULL 有什么区别?

很多初学者都无法分清这两者之间的区别。我们先看下面的代码:
   int *p = NULL;
这时候我们可以通过编译器查看p 的值为0x00000000。这句代码的意思是:定义一个指针变量p,其指向的内存里面保存的是int 类型的数据;在定义变量p 的同时把p 的值设置为0x00000000,而不是把*p 的值设置为0x00000000。这个过程叫做初始化,是在编译的时候进行的。

明白了什么是初始化之后,再看下面的代码:
   int *p;
   *p = NULL;
同样,我们可以在编译器上调试这两行代码。第一行代码,定义了一个指针变量p,其指向的内存里面保存的是int 类型的数据;但是这时候变量p 本身的值是多少不得而知,也就是说现在变量p 保存的有可能是一个非法的地址。第二行代码,给*p 赋值为NULL,即给p指向的内存赋值为NULL;但是由于p 指向的内存可能是非法的,所以调试的时候编译器可能会报告一个内存访问错误。这样的话,我们可以把上面的代码改写改写,使p 指向一块合法的内存:
   int i = 10;
   int *p = &i;
   *p = NULL;
在编译器上调试一下,我们发现p 指向的内存由原来的10 变为0 了;而p 本身的值, 即内存地址并没有改变。

经过上面的分析,相信你已经明白它们之间的区别了。不过这里还有一个问题需要注意,也就是这个NULL。初学者往往在这里犯错误。

注意NULL 就是NULL,它被宏定义为0:
   #define NULL 0
很多系统下除了有NULL外,还有NUL(Visual C++ 6.0 上提示说不认识NUL)。NUL 是ASCII码表的第一个字符,表示的是空字符,其ASCII 码值为0。其值虽然都为0,但表示的意思完全不一样。同样,NULL 和0 表示的意思也完全不一样。一定不要混淆。

另外还有初学者在使用NULL 的时候误写成null 或Null 等。这些都是不正确的,C 语言对大小写十分敏感啊。当然,也确实有系统也定义了null,其意思也与NULL 没有区别,但是你千万不用使用null,这会影响你代码的移植性。

四、如何将数值存储到指定的内存地址

假设现在需要往内存0x12ff7c 地址上存入一个整型数0x100。我们怎么才能做到呢?我们知道可以通过一个指针向其指向的内存地址写入数据,那么这里的内存地址0x12ff7c 其本质不就是一个指针嘛。所以我们可以用下面的方法:
   int *p = (int *)0x12ff7c;
   *p = 0x100;
需要注意的是将地址0x12ff7c 赋值给指针变量p 的时候必须强制转换。至于这里为什么选择内存地址0x12ff7c,而不选择别的地址,比如0xff00 等。这仅仅是为了方便在VisualC++ 6.0 上测试而已。如果你选择0xff00,也许在执行*p = 0x100;这条语句的时候,编译器会报告一个内存访问的错误,因为地址0xff00 处的内存你可能并没有权力去访问。既然这样,我们怎么知道一个内存地址是可以合法的被访问呢?也就是说你怎么知道地址0x12ff7c处的内存是可以被访问的呢?其实这很简单,我们可以先定义一个变量i,比如:
   int i = 0;
变量i 所处的内存肯定是可以被访问的。然后在编译器的watch 窗口上观察&i 的值不就知道其内存地址了么?这里我得到的地址是0x12ff7c,仅此而已(不同的编译器可能每次给变量i 分配的内存地址不一样,而刚好Visual C++ 6.0 每次都一样)。你完全可以给任意一个可以被合法访问的地址赋值。得到这个地址后再把“int i = 0;”这句代码删除。一切“罪证”销毁得一干二净,简直是做得天衣无缝。

除了这样就没有别的办法了吗?未必。我们甚至可以直接这么写代码:
   *(int *)0x12ff7c = 0x100;
这行代码其实和上面的两行代码没有本质的区别。先将地址0x12ff7c 强制转换,告诉编译器这个地址上将存储一个int 类型的数据;然后通过钥匙“*”向这块内存写入一个数据。

上面讨论了这么多,其实其表达形式并不重要,重要的是这种思维方式。也就是说我们完全有办法给指定的某个内存地址写入数据的。

五、编译器的bug?

另外一个有意思的现象,在Visual C++ 6.0 调试如下代码的时候却又发现一个古怪的问题:
   int *p = (int *)0x12ff7c;
   *p = NULL;
   p = NULL;
在执行完第二条代码之后,发现p 的值变为0x00000000 了。按照我么上一节的解释,应该p的值不变,只是p 指向的内存被赋值为0。难道我们讲错了吗?别急,再试试如下代码:
   int i = 10;
   int *p = (int *)0x12ff7c;
   *p = NULL;
   p = NULL;
通过调试,发现这样子的话,p 的值没有变,而p 指向的内存的值变为0 了。这与我们前面讲解的完全一致。当然这里的i 的地址刚好是0x12ff7c,但这并不能改变“*p = NULL;”这行代码的功能。

为了再次测试这个问题,我又调试了如下代码:
   int i = 10;
   int j = 100;
   int *p = (int *)0x12ff78;
   *p = NULL;
   p = NULL;
这里0x12ff78 刚好就是变量j 的地址。这样的话一切正常,但是如果把“int j = 100;”这行代码删除的话,又出现上述的问题了。测试到这里我还是不甘心,编译器怎么能犯这种低级错误呢?于是又接着进行了如下测试:
   unsigned int i = 10;
   //unsigned int j = 100;
   unsigned int *p = (unsigned int *)0x12ff78;
   *p = NULL;
   p = NULL;
得到的结果与上面完全一样。当然,我还是没有死心,又进行了如下测试:
   char ch = 10;
   char *p = (char *)0x12ff7c;
   *p = NULL;
   p = NULL;
这样子的话,完全正常。但当我删除掉第一行代码后再测试,这里的p 的值并未变成0x00000000,而是变成了0x0012ff00,同时*p 的值变成了0。这又是怎么回事呢?初学者是否认为这是编译器“良心发现”,把*p 的值改写为0 了。

如果你真这么认为,那就大错特错了。这里的*p 还是地址0x12ff7c 上的内容吗?显然不是,而是地址0x0012ff00 上的内容。至于0x12ff7c 为什么变成0x0012ff00,则是因为编译器认为这是把NULL 赋值给char 类型的内存,所以只是把指针变量p 的低地址上的一个字节赋值为0。至于为什么是低地址,请参看前面讲解过大小端模式相关内容。

测试到这里,已经基本可以肯定这是Visual C++ 6.0 的一个bug。所以平时一定不要迷信某个编译器,要相信自己的判断。当然,后面还会提到一个我认为的Visual C++ 6.0 的一个bug。还有,这个小小的例子,你是否可以在多个编译器上测试测试呢?

六、如何达到手中无剑、胸中也无剑的地步

噢,上面的讨论一不小心就这么多了。这里我为什么要把这个小小的问题放到这里长篇大论呢?我是想告诉读者:研究问题一定要肯钻研。千万不要小看某一个简单的事情,简单的事情可能富含着很多秘密。经过这样一番深究,相信你也有不少收获。平时学习工作也是如此,不要小瞧任何一件简单的事情,把简单的事情做好也是一种伟大。劳模许振超开了几十年的吊车,技术精到指哪打哪的地步。达到这种程度是需要花苦功夫的,几十年如一日天天重复这件看似很简单的事情,这不是一般人能做到的。同样的,在《天龙八部》中,萧峰血战聚贤庄的时候,一套平平凡凡的太祖长拳打得虎虎生威,在场的英雄无不佩服至极,这也是其苦练的结果。我们学习工作同样如此,要肯下苦功夫钻研,不要怕钻得深,只怕钻得不深。其实这也就是为什么同一个班的学生,水平会相差非常大的最关键之处。

学得好的,往往是那些舍得钻研的学生。我平时上课教学生的绝不仅仅是知识点,更多的时候我在教他们学习和解决问题的方法。有时候这个过程远比结论要重要的多。后面的内容,你也应该能看出来,我非常注重过程的分析,只有你真正明白了这些思考问题、解决问题的方法和过程,你才能真正立于不败之地。所有的问题对你来说都是一个样,没有本质的区别。解决任何问题的办法都一致,那就是把没见过的、不会的问题想法设法转换成你见过的、你会的问题;至于怎么去转换那就要靠你的苦学苦练了。也就是说你要达到手中无剑,胸中也无剑的地步。

当然这些只是我个人的领悟,写在这里希望能与君共勉。