内存和指针

苏丙榅2023-10-022023-10-09

1. 内存

关于内存我们都耳熟能详，对于程序员而言，可以从两个维度去理解这个概念 — 物理存储器和存储地址空间：

内存是计算机系统中用于存储数据和指令的地方。它是计算机的关键组件之一，用于临时存储和处理正在运行的程序所需的数据。
- 主板上装插的内存条
- 显示卡上的显示RAM芯片
- 各种适配卡上的RAM芯片和ROM芯片
计算机的内存通常被划分为不同的存储单元，每个存储单元都有一个唯一的地址，用于标识其在内存中的位置。每个存储单元都可以存储一定数量的数据。
- 编码：对每个物理存储单元（一个字节）分配一个号码
- 寻址：可以根据分配的号码找到相应的存储单元，完成数据的读写

我们可以将内存抽象成一个很大的一维字符数组，编码就是对内存的每一个字节分配一个唯一的32位或64位的编号（与32位或者64位处理器相关），这个内存编号我们称之为内存地址，例如：一个内存地址可能是0x00007FF6D9A5C000。

内存中的每一个数据根据类型的不同，分配的内存大小也不尽相同：

char：占1个字节分配1个地址
int、float：占4个字节分配4个地址
double、long long：占8个字节分配8个地址

2. 指针

指针是计算机编程中一个重要的概念，它是一种特殊的数据类型，用于存储变量的内存地址。简单来说，指针指向了一个变量在计算机内存中的存储位置。

每个变量在内存中都有一个地址，在编程中，通过定义指针变量，我们可以存储一个变量的地址，这就使得我们可以通过间接的方式操作和修改变量，而不需要访问原始的变量名。

2.1 指针变量的定义和使用

指针也是一种数据类型，指针变量也是一种变量，指针变量指向谁，就把谁的地址赋值给指针变量。

首先，要声明一个指针变量，需要使用星号"*"来表示该变量是一个指针。例如，以下示例声明了一个指向整数的指针变量 ptr：

// 关于 * 的位置没有要求，根据个人喜好书写即可
int *ptr;
int* ptr;
int * ptr;
int*ptr;

可以将指针初始化为某个特定变量的地址，也可以在后续的代码中将指针指向某个变量的地址。要将指针指向一个变量的内存地址，需要使用取地址符号"&"，例如：

1 2	int num = 10; ptr = &num; // 将ptr指向num的内存地址

要访问指针指向的变量的值，需要使用星号"*"来解引用指针。解引用操作符告诉编译器去访问指针所指向的内存地址，并获取那个地址处存储的值。例如：

1	printf("%d", *ptr); // 输出指针所指向的变量的值

还可以通过指针来修改变量的值。通过解引用指针并使用赋值操作符，可以将新的值存储到指针指向的内存地址处。例如：

1	*ptr = 20; // 将指针所指向的变量的值修改为20

下面是关于指针定义和使用的一段完整示例代码:

#include <stdio.h>

int main()
{
    int a = 9;
    char b = 97;
    printf("%p, %p\n", &a, &b); //打印a, b的地址

    // int *代表是一种数据类型，int*指针类型，p才是变量名
    // 定义了一个指针类型的变量，可以指向一个int类型变量的地址
    int* p;
    //将a的地址赋值给变量p，p也是一个变量，值是一个内存地址编号
    p = &a;
    printf("%d\n", *p);//p指向了a的地址，*p就是a的值

    char* p1 = &b;
    printf("%c\n", *p1);//*p1指向了b的地址，*p1就是b的值

    return 0;
}

程序输出的结果如下:

0000008E46D9F914, 0000008E46D9F934
9
a
a = 100, b = 66

注意事项：&可以取得一个变量在内存中的地址。但是，不能取寄存器变量地址，因为寄存器变量不在内存里，而在CPU里面，所以是没有地址的。

2.2 指针大小

指针是一个变量，它存储了内存地址的值。在C语言中，使用运算符sizeof()可以计算指针的大小，指针的大小指的是指针变量指向的存储地址的大小，得到的值为 4 或 8：

在32位平台，所有的指针（地址）都是32位(4字节)
在64位平台，所有的指针（地址）都是64位(8字节)

#include <stdio.h>

int main()
{
    int* p1;
    int** p2;
    char* p3;
    char** p4;
    printf("sizeof(p1) = %zd\n", sizeof(p1));
    printf("sizeof(p2) = %zd\n", sizeof(p2));
    printf("sizeof(p3) = %zd\n", sizeof(p3));
    printf("sizeof(p4) = %zd\n", sizeof(p4));
    printf("sizeof(double *) = %zd\n", sizeof(double*));

    return 0;
}

在32为平台测试的结果如下:

sizeof(p1) = 4
sizeof(p2) = 4
sizeof(p3) = 4
sizeof(p4) = 4
sizeof(double *) = 4

在64为平台测试的结果如下:

sizeof(p1) = 8
sizeof(p2) = 8
sizeof(p3) = 8
sizeof(p4) = 8
sizeof(double *) = 8

2.3 野指针和空指针

指针变量也是变量，是变量就可以任意赋值，不要越界即可（32位为4字节，64位为8字节），但是，任意数值赋值给指针变量没有意义，因为这样的指针就成了野指针，此指针指向的区域是未知(操作系统不允许操作此指针指向的内存区域)。所以，野指针不会直接引发错误，操作野指针指向的内存区域才会出问题。

#include <stdio.h>

int main()
{
    int a = 100;
    int* p;
    // 给指针变量p赋值，p为野指针
    p = a; 
    // 给指针变量p赋值，p为野指针
    p = 0x12345678; 
    // 对野指针指向的未知区域进行写操作，内存出问题，error
    *p = 1000;  
    return 0;
}

在上面的代码中演示的野指针有两种存在形式:

第6行定义了指针变量但是没有初始化，其指向一块随机的内存地址
第8行和第10行都是让指针指向了一块内存地址，这块地址属于哪个进程（程序）以及现在有没有被使用都是未知的

野指针和有效指针变量保存的都是数值，为了标志此指针变量没有指向任何变量(空闲可用)，C语言中，可以把NULL赋值给此指针，这样就标志此指针为空指针，没有任何指针。

1	int* ptr = NULL;

NULL是一个值为0的宏常量：

1	#define NULL ((void *)0)

2.4 万能指针 void*

void* 是一个特殊的指针类型，用来表示一个指向未知类型的指针。它可以存储任何类型的地址，但无法直接解引用或操作其指向的数据。

它可以用于在没有明确类型信息的情况下表示指针。例如，当你需要在函数中传递一个指针，但不确定指针所指向的数据类型时，可以使用 void* 作为参数类型。

使用 void* 类型时，需要注意的是，在使用 void* 指针进行操作之前，必须将其转换为适当的指针类型，以便进行正确的解引用和操作。这是因为 void* 指针在不确定指向的具体类型时无法进行类型推断。

#include <stdio.h>

int main()
{
    void* p = NULL;
    int a = 10;
    // 指向变量时，最好转换为void *
    p = (void*)&a; 

    //使用指针变量指向的内存时，转换为int *
    *((int*)p) = 11;
    printf("a = %d\n", a);

    return 0;
}

总而言之，void* 是一种特殊的指针类型，可以用于表示指向未知类型的指针。它在某些情况下非常有用，但需要小心使用，以避免类型不匹配或错误的操作。

2.5 const 与指针

在定义指针的时候可以添加const关键字，根据const关键字的位置可以用其修饰指针本身也可以用来修饰指针指向的值：

常量指针：const 关键字在 * 左边，常量指针的本质是指针，表示指针所指向的地址可变，但是地址中的数据不能被修改。例如：
1
2
const int* ptr; // ptr 是一个指向 int 类型常量的指针
int const *ptr; // 等价于 const int* ptr;
在这个例子中，ptr 是一个指向 int 类型常量的指针。这意味着不能通过 ptr 修改它所指向的整数值，但该指针指向的地址是可以改变的。
指针常量： const 关键字在 * 右边，表示指针指向的地址不能被修改，但是地址中的值可以被修改。例如：
1
2
3
int value = 10;
// ptr 是一个常量指针，指向 int 类型的变量 value, 不能被重新赋值
int* const ptr = &value;
在这个例子中，ptr 是一个指针常量，指向了变量 value。这意味着不能通过 ptr 修改指针的值，即不能将 ptr 指向其它地址，但可以通过 *ptr 来修改所指向的变量的值。

注意：指针常量在定义时要赋初值。

下面有几句口诀，方便大家记忆常量指针和指针常量：

const （*号）左边放，我是指针变量指向常量 - 常量指针
const （*号）右边放，我是指针常量指向变量 - 指针常量
const （*号）两边放，我是指针常量指向常量 - 常量指针常量

指针变量能改指向，指针常量不能转向，要是全部变成常量，锁死了，我不能转向，你也甭想变样！

#include <stdio.h>

int main()
{
    // 常量指针
    int value1 = 100;
    int value2 = 200;
    const int* ptr = &value1;   // 初始化
    ptr = &value2;  // ok, 可以修改指针指向的内存地址
    *ptr = 300;     // error, 不能修改指针指向的地址中的值

    // 指针常量
    int value = 10;
    int* const ptr1 = &value;   // 初始化
    *ptr1 = 20;     // ok, 可以修改指针指向的地址中的值
    ptr1 = &value1; // error, 不能修改指针指向的内存地址

    // 指向常量的指针常量
    const int* const ptr2 = &value2;
    *ptr2 = 99;     // error, 不能修改指针指向的地址中的值
    ptr2 = &value;  // error, 不能修改指针指向的内存地址

    return 0;
}