【C进阶】第十三篇——指针详解_c指针

指针的基本概念

指针类型的参数和返回值

指针与数组

指针与const限定符

指针与结构体

指向指针的指针与指针数组

指向数组的指针与多维数组

函数类型和函数指针类型

不完全类型和复杂声明

指针的基本概念

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，经过学习我们在间接寻址那里看到了另一个指针的概念，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。

 这里的&是取地址运算符，&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pi和pc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，*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，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，*&E和E等价，如果表达式E是指针类型，&*E和E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，pi是int*型的，pc是char*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;

 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"，为了避免野指针，在定义指针变量时就应该给它明确的初值，或者把它初始化位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出错。*p=0;会导致段错误，就像放在眼前的炸弹一样很容易被找到，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，下次走过去就有十。

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，可以转换为任意其他类型的指针，任意其他类型的指针也可以转换为通用指针，最初C语言中没有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*指针与其他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，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。

指针类型的参数和返回值

首先看以下程序:

指针参数和返回值

#include <stdio.h>
int *swap(int *px, int *py)
{
 int temp;
 temp = *px;
 *px = *py;
 *py = temp;
 return px;
}
int main(void)
{
 int i = 10, j = 20;
 int *p = swap(&i, &j);
 printf("now i=%d j=%d *p=%d\n", i, j, *p);
 return 0;
}

 我们知道，调用函数的传参过程相当于用实参定义并初始化形参，swap(&i,&j)这个调用相当于:

int *px = &i;
int *py = &j;

所以px和py分别指向main函数的局部变量i和j，在swap函数中读写*px和*py其实是读写main函数的i和j。尽管在swap函数的作用域中访问不到j和j这两个变量名，却可以通过地址访问它们，最终swap函数将i和j的值做了交换。

int *tmp = px;

int *p=tmp;

指针与数组

先看个例子，有如下语句:

int a[10];
int *pa = &a[0];
pa++;

 首先指针pa指向a[0]的地址，注意后缀运算符的优先级高于单目运算符，所以是取a[0]的地址,而不是取a的地址。然后pa++让pa指向下一个元素(也就是a[1]),由于pa是int *指针，一个int型元素占4个字节，所以pa++使pa所指向的地址加4，注意不是加1.

下面画图理解。从前面的例子我们发现，地址的具体数值其实无关紧要，关键是要说明地址之间的关系(a[1]位于a[0]之后4个字节处)以及指针与变量之间的关系(指针保存的是变量的地址)，现在我们换一种画法，省略地址的具体数值，用方框表示存储空间，用箭头表示指针和变量之间的关系。

 既然指针可以用++运算符，当然也可以用+，-运算符，pa+2这个表达式也是有意义的，如上图所示，pa指向a[1]，那么pa+2指向a[3]。事实上，E1[E2]这种写法和(*((E1)+(E2)))是等价的，*(pa+2)也可以写成pa[2]，pa就像数组名一样，其实数组名也没有什么特殊的，a[2]之所以能取数组的第2个元素，是因为它等价于*(a+2),在数组那里讲过数组名做右值时自动转换成指向首元素的指针，所以a[2]和pa[2]本质上是一样的，都是通过指针间接寻址访问元素。由于(*((E1)+(E2)))显然可以写成(*((E2)+(E1)))，所以E1[E2]也可以写成E2[E1]，这意味着2[a],2[pa]这种写法也是对的，但一般不这么写。另外，由于a做右值使用时和&a[0]是一个意思，所以int *pa=&a[0];通常不这么写，而是写成更简单的形式int *pa=a;。

在数组那里讲过C语言允许数组下标是负数，现在你该明白为什么这样规定了。在上面的例子中，表达式pa[-1]是合法的，它和a[0]表示同一个元素。

现在猜一下，两个指针变量做比较运算表示什么意义?两个指针变量做减法运算又有什么什么意义?

你理解了指针和常数的加减的概念，再根据以往使用比较运算的经验，就应该猜到pa+2>pa,pa-1==a，所以指针指针的比较运算比的是地址，C语言正是这样规定的，不过C语言的规定更为严谨，只有指向同一个数组中元素的指针之间相互比较才有意义，否则没有意义。那么两个指针相减表示什么?pa-a等于几?因为pa-1==a,所以pa-a显然等于1，指针相减表示两个指针之间相差的元素的个数,同样只有指向同一个数组中的元素的指针之间相减才有意义。两个指针相加表示什么?想不出来它能有什么意义，因此C语言也规定两个指针不能相加。

在取数组元素时用数组名和用指针的语法一样，但如果把数组名做左值使用，和指针又有区别。例如pa++合法，但a++就不合法，pa=a+1是合法的，但是a=pa+1是不合法的。数组名做右值时转换成指向首元素的指针，但做左值仍然表示整个数组的存储空间，而不是首元素的存储空间，数组名做左值时还有一点特殊之处，不支持++，赋值这些运算符，但支持取地址运算符&，所以&a是合法的。

在函数原型中，如果参数是数组，则等价于参数是指针的形式，例如:

void func(int a[10])
{
 ...
}

 等价于：

void func(int *a)
{
 ...
}

第一种形式方括号中的数字可以不写，仍然是等价的:

void func(int a[])
{
 ...
}

参数写成指针形式还是数组形式对编译器来说没区别，都表示这个参数是指针，之所以规定两种形式是为了给读代码的人提供有用的信息，如果这个参数指向一个元素，通常写成指针的形式，如果这个参数指向一串元素的首元素，则经常写成数组的形式。 

指针与const限定符

const限定符和指针结合起来常见的情况有以下几种:

const int *a;
int const *a;

 这两种写法是一样的，a是一个指向const int型的指针，a所指向的内存单元不可改写，所以(*a)++是不允许的，但a可以改写，所以a++是允许的。

int * const a;

a是一个指向int型的const指针，*a是可以改写的，但a不允许改写。 

int const* const a;

 a是一个指向const int型的const指针，因此*a和a都不允许改写。

指向非const变量的指针或者非const变量的地址可以传给指向const变量的指针，编译器可以做隐式类型转换，例如:

char c = 'a';
const char *pc = &c;

 但是，指向const变量的指针或者const变量的地址不可以传给指向非const变量的指针，以免投过后者意外改写了前者所指向的内存单元，例如对下面的代码编译器会报警告:

const char c = 'a';
char *pc = &c;

 即使不用const限定符也能写出正确的程序，但良好的编程习惯应该尽可能多的使用const,因为:

1.const给读代码的人传达非常有用的信息。比如一个函数的参数是const char *,你在调用这个函数时就可以放心地传给它char *或const char *指针，而不必担心指针所指的内存单元被改写。

2.尽可能多地使用const限定符，把不该变的都声明成只读，这样可以依靠编译器检查程序中的Bug,防止意外改写数据。

3.const对编译器优化是一个有用的提示，编译器也许会把const变量优化成常量。

字符串字面值通常分配在.rodata段，字符串字面值类似于数组名，做右值使用时自动转换成指向首元素的指针，这种指针应该是const char *型。我们知道printf函数原型的第一个参数是const char *型，可以把char *或const char *指针传给它，所以下面这些调用都是合法的:

const char *p = "abcd";
const char str1[5] = "abcd";
char str2[5] = "abcd";
printf(p);
printf(str1);
printf(str2);
printf("abcd");

 注意上面第一行，如果要定义一个指针指向字符串字面值，这个指针应该是const char*型，如果写成char *p="abcd";就不好了，有隐患，例如:

int main(void)
{
 char *p = "abcd";
...
 *p = 'A';
...
}

 *p指向.rodata段，不允许改写，但编译器不会报错，在运行时会出现段错误。

指针与结构体

首先定义一个结构体类型，然后定义这种类型的变量和指针:

struct unit {
 char c;
 int num;
};
struct unit u;
struct unit *p = &u;

要通过指针p访问结构体成员可以写成(*p).c和(*p).num,为了书写方便，C语言提供了->运算符，可以写成p->c和p->num。 

指向指针的指针与指针数组

指针可以指向基础类型，也可以指向符合类型，因此也可以指向另外一个指针变量，称为指向指针的指针。

int i;
int *pi = &i;
int **ppi = π

 这样定义之后，表达式*ppi取pi的值，表达式**ppi取i的值。请读者自己画图理解i,pi,ppi这三个变量之间的关系。

很自然地，也可以定义指向"指向指针的指针"的指针，但是很少用到:

int ***p;

数组中的每个元素可以是基本类型，也可以复合类型，因此也可以是指针类型。例如定义一个数组a由10个元素组成，每个元素都是int *指针:

int *a[10];

 这称为指针数组。int *a[10]和int **pa;之间的关系类似于int a[10]和int *pa之间的关系；a是由一种元素组成的数组，pa则是指向这种元素的指针。所以，如果pa指向a的首元素:

int *a[10];
int **pa = &a[0];

 则pa[0]和a[0]取的是同一个元素，唯一比原来复杂的地方在于这个元素是一个int *指针，而不是基本类型。

我们知道main函数的标准原型应该是int main(int  argc,char *argv[]);argc是命令行参数的个数，而argv是一个指向指针的指针，为什么不是指针数组?因为前面讲过，函数原型中的[]表示指针而不表示数组，等价于char **argv.那为什么要写成char *argv[]而不写成char **argv?这样写给读代码的人提供了有用的信息，argv不是指向单个指针，而是指向一个指针数组的首元素。数组中每个元素都是char *指针，指向一个命令行参数字符串。

打印命令行参数

#include <stdio.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
 int i;
 for(i = 0; i < argc; i++)
 printf("argv[%d]=%s\n", i, argv[i]);
 return 0;
}

 编译执行:

$ gcc main.c
$ ./a.out a b c
argv[0]=./a.out
argv[1]=a
argv[2]=b
argv[3]=c
$ ln -s a.out printargv
$ ./printargv d e 
argv[0]=./printargv
argv[1]=d
argv[2]=e

 注意程序名也算一个命令行参数，所以执行./a.out a b c这个命令时，argc是4，argv如下图所示:

 由于argv[4]是NULL,我们也可以这样循环遍历argv:

for(i=0; argv[i] != NULL; i++)

NULL标识着argv的结尾，这个循环碰到NULL就结束，因而不会访问越界，这种用法很形象地称为Sentinel,NULL就像一个哨兵守卫着数组的边界。

 在这个例子中我们还看到，如果给程序建立符号链接，然后通过符号链接运行这个程序，就可以得到不同的argv[0].通常，程序会根据不同的命令行参数做不同的事情，例如ls -l和ls -R打印不同的文件列表，而有些程序会根据不同的argv[0]做不同的事情，例如专门指针嵌入式系统的开源项目Busybox,将各种Linux命令裁剪后集于一身，编译成一个可执行文件busybox,安装时将busybox程序拷到嵌入式系统的/bin目录下，同时在/bin,/sbin,/usr/bin,/usr/sbin等目录下创建很多指向/bin/busybox的符号链接，命名为cp,ls,mv,ifconfig等等，不管执行哪个命令其实最终都是在执行/bin/busybox,它会根据argv[0]来区分不同的命令。

指向数组的指针与多维数组

指针可以指向复合类型，上一节讲了指向指针的指针，这一节学习指向数组的指针，以下定义一个指向数组的指针，该数组有10个int元素:

int (*a)[10];

和上一节指针数组的定义int *a[10]；相比，仅仅多了一个()括号，如何记住和区分这两种定义？我们可以认为[]比*有更高的优先级，如果a先和*结合则表示a是一个指针，如果a先和[]结合则表示a是一个数组。int *a[10]；这个定义可以拆成两句:

typedef int *t;
t a[10];

 t代表int *类型，a则是由这种类型的元素组成的数组。int (*a)[10];这个定义也可以拆成两句:

typedef int t[10];
t *a;

t代表由10个int组成的数组类型，a则是指向这种类型的指针。

现在看指向数组的指针如何使用:

int a[10];
int (*pa)[10] = &a;

 a是一个数组，在&a这个表达式中，数组名做左值，取整个数组的首地址赋给指针pa。注意，&a[0]表示数组a的首元素的首地址，而&a表示数组a的首地址，显然这两个地址的数值是相同的，但这两个表达式的类型是两种不同的指针类型，前者的类型是int *,而后者的类型是int(*)[10]。*pa就表示pa所指向的数组a,所以取数组的a[0]元素可以用表达式(*pa)[0]。注意到*pa可以写成pa[0]，所以(*pa)[0]这个表达式也可以改写成pa[0][0]，pa就像一个二维数组的名字，它表示什么含义?下面把pa和二维数组放在一起做个分析。

int a[5][10]；和int(*pa)[10];之间的关系同样类似于int a[10];和int *pa;之间的关系:a是由一种元素组成的数组，pa则是指向这种元素的指针。所以，如果pa指向a的首元素:

int a[5][10];
int (*pa)[10] = &a[0];

则pa[0]和a[0]取得是同一个元素，唯一比原来复杂的地方在于这个元素是由10个int组成的数组，而不是基本类型。这样我们可以把pa当成二维数组名来使用，pa[1][2]和a[1][2]取得也是同一个元素，而且pa比a用起来更灵活，数组名不支持赋值自增等运算，而指针可以支持，pa++使pa跳过二维数组的一行(40个字节)，指向a[1]的首地址。

函数类型和函数指针类型

在C语言中，函数也是一种类型，可以定义指向函数的指针。我们知道，指针变量的内存单元存放一个地址值，而函数指针存放的就是函数的入口地址(位于.text段)。下面看一个简单的例子:

函数指针

#include <stdio.h>
void say_hello(const char *str)
{
 printf("Hello %s\n", str);
}
int main(void)
{
 void (*f)(const char *) = say_hello;
 f("Guys");
 return 0;
}

 分析一下变量f的类型声明void(*f)(const char *),f首先跟*号结合在一起，因此是一个指针。(*f)外面是一个函数原型的格式，参数是const char *,返回值是void,所以f是指向这种函数的指针。而say_hello的参数是const char *，返回值是void，正好是这种函数，因此f可以指向say_hello。注意，say_hello是一种函数类型，而函数类型和数组类型类似，做右值使用时自动转换成函数指针类型，所以可以直接赋给f，当然也可以写成void (*f)(const char *) =&say_hello;，把函数say_hello先取地址再赋给f，就不需要自动类型转换了。

可以直接通过函数指针调用函数，如上面的f("Guys")，也可以先用*f取出它所指的函数类型，再调用函数，即(*f)("Guys")。可以这么理解：函数调用运算符()要求操作数是函数指针，所以f("Guys")是最直接的写法，而say_hello("Guys")或(*f)("Guys")则是把函数类型自动转换成函数指针然后做函数调用。

下面再举几个例子区分函数类型和函数指针类型。首先定义函数类型F:

typedef int F(void);

 这种类型的函数不带参数，返回值是int。那么可以这样声明f和g：

F f, g;

 相当于声明：

int f(void);
int g(void);

 下面这个函数声明是错误的：

F h(void);

因为函数可以返回void类型、标量类型、结构体、联合体，但不能返回函数类型，也不能返回数组

F *e(void);

F *((e))(void);

int (*fp)(void);

F *fp;

double real_part(struct complex_struct z)
{
 if (z.t == RECTANGULAR)
 return z.a;
 else
 return z.a * cos(z.b);
}

double rect_real_part(struct complex_struct z)
{
 return z.a;
}
double rect_img_part(struct complex_struct z)
{
 return z.b;
}
double rect_magnitude(struct complex_struct z)
{
 return sqrt(z.a * z.a + z.b * z.b);
}
double rect_angle(struct complex_struct z)
{
 double PI = acos(-1.0);
 if (z.a > 0)
 return atan(z.b / z.a);
 else
 return atan(z.b / z.a) + PI;
}
double pol_real_part(struct complex_struct z)
{
 return z.a * cos(z.b);
}
double pol_img_part(struct complex_struct z)
{
 return z.a * sin(z.b);
}
double pol_magnitude(struct complex_struct z)
{
 return z.a;
}
double pol_angle(struct complex_struct z)
{
 return z.b;
}
double (*real_part_tbl[])(struct complex_struct) = { rect_real_part,
pol_real_part };
double (*img_part_tbl[])(struct complex_struct) = { rect_img_part, 
pol_img_part };
double (*magnitude_tbl[])(struct complex_struct) = { rect_magnitude,
pol_magnitude };
double (*angle_tbl[])(struct complex_struct) = { rect_angle, 
pol_angle };
#define real_part(z) real_part_tbl[z.t](z)
#define img_part(z) img_part_tbl[z.t](z)
#define magnitude(z) magnitude_tbl[z.t](z)
#define angle(z) angle_tbl[z.t](z)

不完全类型和复杂声明

C语言的类型分为函数类型、对象类型和不完全类型三大类。对象类型又分为标量类型和非标量类 型。指针类型属于标量类型，因此也可以做逻辑与、或、非运算的操作数和if、for、while的控制表达式，NULL指针表示假，非NULL指针表示真。不完全类型是暂时没有完全定义好的类型，编译器 不知道这种类型该占几个字节的存储空间，例如：

struct s;
union u;
char str[];

char str[];
char str[10];

struct s {
 struct t *pt;
};
struct t {
 struct s *ps;
};

struct s {
 struct t ot;
};
struct t {
 struct s os;
};

struct s {
 char data[6];
 struct s* next;
};

typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

void (*signal(int signum, void (*handler)(int)))(int);

 我们分解一下这个复杂声明:

int (*(*fp)(void *))[10];

1.fp和*号括在一起，说明fp是一个指针，指向T1类型：

typedef int (*T1(void *))[10];
T1 *fp;

2.T1应该是一个函数类型，参数是void *，返回值是T2类型：

typedef int (*T2)[10];
typedef T2 T1(void *);
T1 *fp;

3.T2和*号括在一起，应该也是个指针，指向T3类型：

typedef int T3[10];
typedef T3 *T2;
typedef T2 T1(void *);
T1 *fp;