对指针的深入理解

一、牛刀小试

在讲解本次内容前，先来看个小栗子：

#include 
#include 

void safe_free(void *ptr)
{
    if (ptr)
    {
        free(ptr);
        ptr = NULL;
    }
}
int main()
{
    int *p = (int *)malloc(sizeof(int));

    printf("[before:addr]  %p\n", &p);
    printf("[before:value] %p\n", p);
    safe_free(p);
    printf("\n[after:addr]   %p\n", &p);
    printf("[after:value]  %p\n", p);

    return 0;
}

• 我们在代码中定义了一个更安全的 free 函数 safe_free，在该函数中我们事先对指针 ptr 进行了参数校验，并在 free 后及时将其置 NULL，目的是为了防止野指针的出现。

下面让我们来运行一下：

那么疑问来了：在调用 safe_free(p) 时，我明明在函数中将指针 ptr 置为了 NULL，为什么第 20 行对 p 进行输出时，还是输出了 0x841010？

下面让我们带着疑问来学习接下来的知识，发车了~

二、变量、地址和值的关系

首先，我们来对变量、地址和值他们之间的关系进行一个概述。

2.1 变量、地址和值

我们在代码中声明的每一个变量（包括指针变量）：

1. 首先该变量要有一个地址
2. 其次该变量要有值

如 int a = 10：

• 该变量的地址为 &a（假设为 0x7fffffffe214）

• 该变量的值为 10

  

又如 int *p = NULL：

• 该变量的地址为 &p（假设为 0x7fffffffe208）
• 该变量的值为 NULL

如果让 p 指向 a 呢？即调用p = &a，那么就会变成这样：

• 变量 p 的地址保持不变，依旧是 &p（0x7fffffffe208）
• 变量 p 的值变为了 a 的地址（0x7fffffffe214）

那如果声明个二级指针并指向 p 呢？即 int **pp = &p，就变成了这样：

• 二级指针 pp 的地址为 &pp（0x7fffffffe218）
• 二级指针 pp 的值为 p 的地址 0x7fffffffe208

到这儿是不是对变量、地址和值之间的关系恍然大明白了~

Notes：

1. 每个变量都有一个地址
2. 地址唯一标识一块内存空间
3. 指针也是变量，也有一个地址
4. 指针的值用来存放变量的地址

如果我们想取出地址中的值，就需要使用星号运算符（*），下面我们来对 * 这个运算符做个简单介绍。

2.2 *运算符

星号运算符（*）在不同的表达式中具有不同的含义：

1. 表示乘法运算符，如 int a = 1 * 10；
2. 表示指针变量，如 int *p = &a，表明声明了一个指针类型的变量 p，并将其指向变量 a 的地址
3. 表示解引用，如 int b = *p，表明取出指针 p 所指向地址的值，也就是 10

2.3 解惑

当我们对变量、地址和值的关系有了一个概念后，我们回过头来看一下「一、小试牛刀」中的程序：

1. 第 14 行声明了一个指针变量 p，并为其开辟了一块内存空间（p 的地址为 0x7ffda476f028，值为 0x841010）；

2. 第 18 行调用 safe_free 函数并传入变量 p 的值 0x841010；

3. 在函数内，对 ptr 所指内存进行 free 并将 ptr 置为 NULL。

所以我们想要通过函数实现「free 内存并将原指针置空」的效果，一级指针是无法完成的，得使用二级指针：

#include 
#include 

void safe_free(void **ptr)	// 使用二级指针
{
    if (*ptr)
    {
        free(*ptr);
        *ptr = NULL;
    }
}
int main()
{
	...
        
    safe_free((void **)&p);	// 传入指针 p 的地址
    
    ...
}

一般而言，最好用的方式还是宏定义，通过宏定义的方式将 free 操作进行封装，既可以避免对空指针的操作，也可以在 free 后计时将其置为 NULL，防止野指针的出现：

#define safe_free(ptr) \
{ \
    if (ptr) \
    { \
        free(ptr); \
        ptr = NULL; \
    } \
}

拓展知识

不同含义的*的优先级，待补充

三、指针和整数的关系

指针和整数在 C 语言里面是两种不同含义的：

• 指针主要是为了方便引用一个内存地址；
• 整数是一个数值，它主要是为了加减等计算、比对、做数组下标、做索引之类的，它的目的不是为了引用一个内存。

指针和整数（这里主要指 unsigned long，因为 unsigned long 的位数一般等于 CPU 可寻址的内存地址位数）本身是八竿子打不着的，但是它们之间的一个有趣联系是：如果我们只是关心这个地址的值，而不是关心通过这个地址去访问内存，这个时候，内核经常喜欢用 unsigned long 代替指针。

我们可以通过一个简单的例子来感受一下：

#include 
#include 
#include 

typedef unsigned long ULONG;

unsigned long func()
{
    char *ptr = (char *)malloc(24); // 声明一个字符指针，并开辟空间

    strcpy(ptr, "hello world!");    // 向新开辟的空间中写入数据

    return (ULONG)ptr;              // 以无符号长整型的形式返回
}

int main()
{
    char *p = (char *)func();       // 将 func 的地址强制转换为 char *

    puts(p);

    return 0;
}

运行结果：

当指针和整数存在关联后，那么我们对地址的操作就更多了，如当我们在中间过程中频繁拷贝一个超大字符串时，可以考虑只拷贝这个超大字符串的 ULONG 地址，等最终需要使用这个字符串时，再将其转换为 char *。

#include 
#include 
#include 

#define STRLEN_24   24
#define STRLEN_1024 1024

#define safe_free(ptr) \
{ \
    if (ptr) \
    { \
        free(ptr); \
        ptr = NULL; \
    } \
}

typedef unsigned long ULONG;

typedef struct tagStr
{
    char *str;
    char addr[STRLEN_24];  // ULONG 最大值不超过 20 位
} STR_S;

// 提取字符串中的 ULONG
ULONG Str2ULong(char *str, int len)
{
    ULONG ans = 0;
    int i;
    for (i = 0; i < len; i++)
    {
        ans = ans * 10 + (str[i] - '0');
    }
    return ans;
}

char *func()
{
    STR_S *pstTmp = (STR_S *)malloc(sizeof(STR_S));
    memset(pstTmp, 0, sizeof(STR_S));

    pstTmp->str = (char *)malloc(STRLEN_1024);  // 我们暂且假设 str 中存了 1024 个数据
    strcpy(pstTmp->str, "我存了 1024 个数据...");

    snprintf(pstTmp->addr, STRLEN_24, "%lu", pstTmp->str);  // 将 str 所指内存的地址以 ULONG 的形式保存在字符数组中

    char *addr = (char *)malloc(STRLEN_24);
    strcpy(addr, pstTmp->addr);

    safe_free(pstTmp);  // 释放掉 pstTmp，防止内存泄漏

    return addr;        // 返回保存有 pstTmp->str 内存地址的字符串
}

int main()
{
    char *addr = func();    // 接收保存有内存地址的字符串
    char *str = (char *)Str2ULong(addr, strlen(addr));  // 将字符串中的内存地址解析出来
    puts(str);  // 输出看是否符合预期

    safe_free(addr);
    safe_free(str);

    return 0;
}

运行结果：

四、free 函数浅谈

注：以下内容摘自参考资料 2 和 3。

4.1 free 函数介绍

free 函数用来释放 malloc/calloc/realloc 出来的内存空间。

操作系统在调用 malloc 函数时，会默认在 malloc 分配的物理内存前面分配一个数据结构，这个数据结构记录了这次分配内存的大小，在用户眼中这个操作是透明的。当用户需要 free 时，free 函数会把指针退回到这个结构体中，找到该内存的大小，这样就可以正确的释放内存了。

4.2 free 到底释放了什么

free 函数只是将指针指向的内存归还给了操作系统，并不会把指针置为 NULL，为了放置访问到被操作系统重新分配后的错误数据，所以在调用 free() 之后，通常需要手动将指针置为 NULL。

从另一个角度来看，内存这种底层资源都是由操作系统来管理的，而不是编译器，编译器只是向操作系统提出申请。所以 free 函数是没有能力去真正的 free 内存的，它只是告诉操作系统它归还了内存，然后操作系统就可以修改内存分配表，以供下次分配。

free 后的指针仍然指向原来的内存地址，即你仍然可以继续使用，但很危险，因为操作系统已经认为这块内存可以使用了，它会毫不考虑的将这块内存分配给其他程序，于是你下次使用的时候可能就已经被别的程序改掉了，这种情况就叫「野指针」，所以最好 free 后及时将指针置空。

4.3 野指针

何谓「野指针」，在这里补充一下：野指针是指程序员不能控制的指针，野指针不是 NULL 指针，而是指向「垃圾」的指针。

造成野指针的原因主要有：

1. 指针变量没有初始化，任何指针变量刚被创建时不会自动成为 NULL 指针，它的缺省值是随机的，它会乱指一气。在初始化的时候要么指向非法的地址，要么指向 NULL。

2. 指针变量被 free 之后，没有被及时置为 NULL。free 函数只是把指针所指的内存给释放掉了，但并没有把指针本身干掉。

3. 指针操作超越了变量的作用范围， 注意其生命周期。

4.4 关于 free 与 malloc 函数使用需要注意的一些地方

1. 当不需要再使用申请的内存时，记得释放，释放要及时置空，防止程序后面不小心使用了它。
2. 这两个函数应该配对使用，如果 malloc 后不 free，就会造成内存泄露。什么叫内存泄漏， 简单的说就是申请了一块内存空间，使用完毕后没有释放掉。它的一般表现方式是程序运行时间越长，占用内存就会越多，最终用尽全部内存，整个系统崩溃。但释放只能一次，如果释放两次及以上就会出现错误（释放空指针例外）。
3. 虽然 malloc 函数的类型是 void *，任何类型的指针都可以转换成 void *，但是最好还是在前面进行强制类型转换，因为这样可以躲过一些编译器的检查。

4.5 形象的比喻

CRT的内存管理模块是一个管家。
你的程序（以下简称「你」）是一个客人。
管家有很多水桶，可以用来装水的。

malloc 的意思就是「管家，我要 XX 个水桶」。
管家首先看一下有没有足够的水桶给你，如果没有，那么告诉你不行。
如果有，那么登记这些水桶已经被使用了，然后告诉你「拿去用吧」。

free 的意思就是说「管家，这些水桶我用完了，还你」。
至于你是不是先把水倒干净了（是不是清零）再给管家，那么是自己的事情了。
管家也不会将你归还的水桶倒倒干清（他有那么多水桶，每个归还都倒干净岂不累死了），反正其他用的时候自己会处理的啦。

free 之后将指针清零只是提醒自己，这些水桶已经不是我的了，不要再往里面放水了。

如果 free 了之后还用那个指针的话，就有可能管家已经将这些水桶给了其他人装饮料用了，而你却往里面装污水。
好的管家可能会对你的行为表示强烈的不满， kill 你（非法操作）－－这是最好的结果，你知道自己错了。
一些不好的管家可能忙不过来，有时候抓到你作坏事就惩罚你，有时候却不知道去哪里了－－这是你的恶梦，不知道什么时候、怎么回事，自己就被 kill 了。

不管怎么样，这种情况下很有可能有人要喝污水。
所以啊，好市民当然是归还水桶给管家后就不要再占着啦~

参考资料

• C语言指针进阶(上)_长月.的博客-CSDN博客
• free函数_纵使风吹的博客-CSDN博客
• free()函数详解_free函数_白河、愁的博客-CSDN博客
• 为何Linux内核常常用unsignedlong来代替指针 - 知乎 (zhihu.com)

• 一、牛刀小试
• 二、变量、地址和值的关系
•     2.1 变量、地址和值
•     2.2 *运算符
•     2.3 解惑
•     拓展知识
• 三、指针和整数的关系
• 四、free 函数浅谈
•     4.1 free 函数介绍
•     4.2 free 到底释放了什么
•     4.3 野指针
•     4.4 关于 free 与 malloc 函数使用需要注意的一些地方
•     4.5 形象的比喻
• 参考资料

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