从零开始探索C语言（八）----指针

有人说，指针是C语言的灵魂，所以学习C语言，学习指针是很有必要的。

通过指针，可以简化一些 C 编程任务的执行，还有一些任务，如动态内存分配，没有指针是无法执行的。

每一个变量都有一个内存位置，每一个内存位置都定义了可使用 & 运算符访问的地址，它表示了在内存中的一个地址。

请看下面的实例，它将输出定义的变量地址：

#include 
 
int main ()
{
    int var_a = 10;
    int *p;              // 定义指针变量
    p = &var_a;
 
   printf("var_a 变量的地址： %p\n", p);
   return 0;
}
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当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

var_a 变量的地址： 000000000062FE14
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1. 什么是指针？

指针也就是内存地址，指针变量是用来存放内存地址的变量。就像其他变量或常量一样，必须在使用指针存储其他变量地址之前对其进行声明。

指针变量声明的一般形式为：

type *var_name;
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在这里，type 是指针的基类型，它必须是一个有效的 C 数据类型，var_name 是指针变量的名称。用来声明指针的星号 * 与乘法中使用的星号是相同的。但是，在这个语句中，星号是用来指定一个变量是指针。

以下是有效的指针声明：

int    *ip;    /* 一个整型的指针 */
double *dp;    /* 一个 double 型的指针 */
float  *fp;    /* 一个浮点型的指针 */
char   *ch;    /* 一个字符型的指针 */
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所有实际数据类型，不管是整型、浮点型、字符型，还是其他的数据类型，对应指针的值的类型都是一样的，都是一个代表内存地址的长的十六进制数。

不同数据类型的指针之间唯一的不同是，指针所指向的变量或常量的数据类型不同。

2. 如何使用指针？

使用指针时会频繁进行以下几个操作：定义一个指针变量、把变量地址赋值给指针、访问指针变量中可用地址的值。

这些是通过使用一元运算符 * 来返回位于操作数所指定地址的变量的值。

下面的实例涉及到了这些操作：

#include 
 
int main ()
{
   int  var = 20;   /* 实际变量的声明 */
   int  *ip;        /* 指针变量的声明 */
 
   ip = &var;  /* 在指针变量中存储 var 的地址 */
 
   printf("var 变量的地址: %p\n", &var  );
 
   /* 在指针变量中存储的地址 */
   printf("ip 变量存储的地址: %p\n", ip );
 
   /* 使用指针访问值 */
   printf("*ip 变量的值: %d\n", *ip );
 
   return 0;
}
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当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

3. NULL 指针

在变量声明的时候，如果没有确切的地址可以赋值，为指针变量赋一个 NULL 值是一个良好的编程习惯。

赋为 NULL 值的指针被称为空指针。

NULL 指针是一个定义在标准库中的值为零的常量。

请看下面的程序：

#include 
 
int main ()
{
   int  *ptr = NULL;
 
   printf("ptr 的地址是 %p\n", ptr  );
 
   return 0;
}
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当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

ptr 的地址是 0000000000000000
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在大多数的操作系统上，程序不允许访问地址为 0 的内存，因为该内存是操作系统保留的。然而，内存地址 0 有特别重要的意义，它表明该指针不指向一个可访问的内存位置。但按照惯例，如果指针包含空值（零值），则假定它不指向任何东西。

如需检查一个空指针，您可以使用 if 语句，如下所示：

if(ptr)     /* 如果 p 非空，则完成 */
if(!ptr)    /* 如果 p 为空，则完成 */
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4. 指针的算术运算

C 指针是一个用数值表示的地址，因此，可以对指针执行算术运算，可以对指针进行四种算术运算：++、–、+、-。

假设 ptr 是一个指向地址 1000 的整型指针，是一个 32 位的整数，让我们对该指针执行下列的算术运算：

ptr++
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在执行完上述的运算之后，ptr 将指向位置 1004，因为 ptr 每增加一次，它都将指向下一个整数位置，即当前位置往后移 4 字节。这个运算会在不影响内存位置中实际值的情况下，移动指针到下一个内存位置。如果 ptr 指向一个地址为 1000 的字符，上面的运算会导致指针指向位置 1001，因为下一个字符位置是在 1001。

我们概括一下：

1. 指针的每一次递增，它其实会指向下一个元素的存储单元。
2. 指针的每一次递减，它都会指向前一个元素的存储单元。
3. 指针在递增和递减时跳跃的字节数取决于指针所指向变量数据类型长度，比如 int 就是 4 个字节。

我们喜欢在程序中使用指针代替数组，因为变量指针可以递增，而数组不能递增，数组可以看成一个指针常量。

下面的程序递增变量指针，以便顺序访问数组中的每一个元素：

递增指针实例

#include 
 
const int MAX = 3;
 
int main ()
{
   int  var[] = {10, 100, 200};
   int  i, *ptr;
 
   /* 指针中的数组地址 */
   ptr = var;
   for ( i = 0; i < MAX; i++)
   {
 
      printf("存储地址：var[%d] = %p\n", i, ptr );
      printf("存储值：var[%d] = %d\n", i, *ptr );
 
      /* 指向下一个位置 */
      ptr++;
   }
   return 0;
}
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当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

同样地，对指针进行递减运算，即把值减去其数据类型的字节数，如下所示：

递减指针实例

#include 
 
const int MAX = 3;
 
int main ()
{
   int  var[] = {10, 100, 200};
   int  i, *ptr;
 
   /* 指针中最后一个元素的地址 */
   ptr = &var[MAX-1];
   for ( i = MAX; i > 0; i--)
   {
 
      printf("存储地址：var[%d] = %p\n", i-1, ptr );
      printf("存储值：var[%d] = %d\n", i-1, *ptr );
 
      /* 指向下一个位置 */
      ptr--;
   }
   return 0;
}
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当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

指针可以用关系运算符进行比较，如 ==、< 和 >。如果 p1 和 p2 指向两个相关的变量，比如同一个数组中的不同元素，则可对 p1 和 p2 进行大小比较。

下面的程序修改了上面的实例，只要变量指针所指向的地址小于或等于数组的最后一个元素的地址 &var[MAX - 1]，则把变量指针进行递增

指针的比较实例：

#include 
 
const int MAX = 3;
 
int main ()
{
   int  var[] = {10, 100, 200};
   int  i, *ptr;
 
   /* 指针中第一个元素的地址 */
   ptr = var;
   i = 0;
   while ( ptr <= &var[MAX - 1] )
   {
 
      printf("存储地址：var[%d] = %p\n", i, ptr );
      printf("存储值：var[%d] = %d\n", i, *ptr );
 
      /* 指向上一个位置 */
      ptr++;
      i++;
   }
   return 0;
}
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当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

5. 指针数组

在我们讲解指针数组的概念之前，先让我们来看一个实例，它用到了一个由 3 个整数组成的数组：

实例

#include 
 
const int MAX = 3;
 
int main ()
{
   int  var[] = {10, 100, 200};
   int i;
 
   for (i = 0; i < MAX; i++)
   {
      printf("Value of var[%d] = %d\n", i, var[i] );
   }
   return 0;
}
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当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

Value of var[0] = 10
Value of var[1] = 100
Value of var[2] = 200
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可能有一种情况，我们想要让数组存储指向 int 或 char 或其他数据类型的指针。

下面是一个指向整数的指针数组的声明：

int *ptr[MAX];
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在这里，把 ptr 声明为一个数组，由 MAX 个整数指针组成。因此，ptr 中的每个元素，都是一个指向 int 值的指针。

下面的实例用到了三个整数，它们将存储在一个指针数组中，如下所示：

#include 
 
const int MAX = 3;
 
int main ()
{
   int  var[] = {10, 100, 200};
   int i, *ptr[MAX];
 
   for ( i = 0; i < MAX; i++)
   {
      ptr[i] = &var[i]; /* 赋值为整数的地址 */
   }
   for ( i = 0; i < MAX; i++)
   {
      printf("Value of var[%d] = %d\n", i, *ptr[i] );
   }
   return 0;
}
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当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

Value of var[0] = 10
Value of var[1] = 100
Value of var[2] = 200
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也可以用一个指向字符的指针数组来存储一个字符串列表，如下：

#include 
 
const int MAX = 4;
 
int main ()
{
   const char *names[] = {
                   "Zara Ali",
                   "Hina Ali",
                   "Nuha Ali",
                   "Sara Ali",
   };
   int i = 0;
 
   for ( i = 0; i < MAX; i++)
   {
      printf("Value of names[%d] = %s\n", i, names[i] );
   }
   return 0;
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当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

Value of names[0] = Zara Ali
Value of names[1] = Hina Ali
Value of names[2] = Nuha Ali
Value of names[3] = Sara Ali
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6. 指向指针的指针

指向指针的指针是一种多级间接寻址的形式，或者说是一个指针链。

通常，一个指针包含一个变量的地址。当我们定义一个指向指针的指针时，第一个指针包含了第二个指针的地址，第二个指针指向包含实际值的位置。

一个指向指针的指针变量必须如下声明，即在变量名前放置两个星号。
例如，下面声明了一个指向 int 类型指针的指针：

int **var;
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当一个目标值被一个指针间接指向到另一个指针时，访问这个值需要使用两个星号运算符，如下面实例所示：

#include 
 
int main ()
{
   int  V;
   int  *Pt1;
   int  **Pt2;
 
   V = 100;
 
   /* 获取 V 的地址 */
   Pt1 = &V;
 
   /* 使用运算符 & 获取 Pt1 的地址 */
   Pt2 = &Pt1;
 
   /* 使用 pptr 获取值 */
   printf("var = %d\n", V );
   printf("Pt1 = %p\n", Pt1 );
   printf("*Pt1 = %d\n", *Pt1 );
    printf("Pt2 = %p\n", Pt2 );
   printf("**Pt2 = %d\n", **Pt2);
 
   return 0;
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当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

var = 100
Pt1 = 000000000061FE14
*Pt1 = 100
Pt2 = 000000000061FE08
**Pt2 = 100
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7. 传递指针给函数

C 语言允许传递指针给函数，只需要简单地声明函数参数为指针类型即可。

下面的实例中，我们传递一个无符号的 long 型指针给函数，并在函数内改变这个值：

#include 
#include 
 
void getSeconds(unsigned long *par);

int main ()
{
   unsigned long sec;


   getSeconds( &sec );

   /* 输出实际值 */
   printf("Number of seconds: %ld\n", sec );

   return 0;
}

void getSeconds(unsigned long *par)
{
   /* 获取当前的秒数 */
   *par = time( NULL );
   return;
}
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当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

Number of seconds: 1694584026
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能接受指针作为参数的函数，也能接受数组作为参数，如下所示：

#include 
 
/* 函数声明 */
double getAverage(int *arr, int size);
 
int main ()
{
   /* 带有 5 个元素的整型数组  */
   int balance[5] = {1000, 2, 3, 17, 50};
   double avg;
 
   /* 传递一个指向数组的指针作为参数 */
   avg = getAverage( balance, 5 ) ;
 
   /* 输出返回值  */
   printf("Average value is: %f\n", avg );
   
   return 0;
}

double getAverage(int *arr, int size)
{
  int    i, sum = 0;      
  double avg;          
 
  for (i = 0; i < size; ++i)
  {
    sum += arr[i];
  }
 
  avg = (double)sum / size;
 
  return avg;
}
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当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：

Average value is: 214.400000
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8. 从函数返回指针

C 允许从函数返回指针。为了做到这点，必须声明一个返回指针的函数，如下所示：

int * myFunction()
{
.
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}
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另外，C 语言不支持在调用函数时返回局部变量的地址，除非定义局部变量为 static 变量。

现在，让我们来看下面的函数，它会生成 10 个随机数，并使用表示指针的数组名（即第一个数组元素的地址）来返回它们，具体如下：

#include 
#include 
#include  
 
/* 要生成和返回随机数的函数 */
int * getRandom( )
{
   static int  r[10];
   int i;
 
   /* 设置种子 */
   srand( (unsigned)time( NULL ) );
   for ( i = 0; i < 10; ++i)
   {
      r[i] = rand();
      printf("%d\n", r[i] );
   }
 
   return r;
}
 
/* 要调用上面定义函数的主函数 */
int main ()
{
   /* 一个指向整数的指针 */
   int *p;
   int i;
 
   p = getRandom();
   for ( i = 0; i < 10; i++ )
   {
       printf("*(p + [%d]) : %d\n", i, *(p + i) );
   }
 
   return 0;
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当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：