水滴石穿C语言之指针综合谈

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  概述

  Joel Spolsky认为,对指针的理解是一种aptitude,不是通过训练就可以达到的。虽然如此,我还是想谈一谈这个C/C++语言中最强劲也是最容易出错的要素。

  鉴于指针和目前计算机内存结构的关联,很多C语言比较本质的特点都孕育在其中,因此,本篇和第六、第七两篇我都将以指针为主线,结合在实际编程中遇到的问题,来详细谈谈关于指针的几个重要方面。

  指针类型的本质分析

  1、指针的本质

  指针的本质:一种复合的数据类型。下面我将以下面几个作为例子进行展开分析:

  a)、int *p;
  b)、int **p;
  c)、int (*parValue)[3];
  d)、int (*pFun)();

  分析:

  所谓的数据类型就是具有某种数据特征的东东,比如数据类型char,它的数据特征就是它所占据的内存为1个字节, 指针也很类似,指针所指向的值也占据着内存中的一块地址,地址的长度与指针的类型有关,比如对于char型指针,这个指针占据的内存就是1个字节,因此指针也是一种数据类型,但我们知道指针本身也占据了一个内存空间地址,地址的长度和机器的字长有关,比如在32位机器中,这个长度就是4个字节,因此指针本身也同样是一种数据类型,因此,我们说,指针其实是一种复合的数据类型,

  好了,现在我们可以分析上面的几个例子了。

  假设有如下定义:

int nValue;
  那么,nValue的类型就是int,也就是把nValue这个具体变量去掉后剩余的部分,因此,上面的4个声明可以类比进行分析:

  a)、int *

  *代表变量(指针本身)的值是一个地址,int代表这个地址里面存放的是一个整数,这两个结合起来,int *定义了一个指向整数的指针,类推如下:

  b)、int **

  指向一个指向整数的指针的指针。

  c)、int (*)[3]

  指向一个拥有三个整数的数组的指针。

  d)、int (*)()

  指向一个函数的指针,这个函数参数为空,返回值为整数。

  分析结束,从上面可以看出,指针包括两个方面,一个是它本身的值,是一个内存中的地址;另一个是指针所指向的物,是这个地址中所存放着具有各种各样意义的数据。

  2、对指针本身值的分析

  下面例子考察指针本身的值(环境为32位的计算机):

void *p = malloc( 100 );
  请计算sizeof ( p ) = ?

char str[] = “Hello” ;
char *p = str ;
  请计算sizeof ( p ) = ?

void Func ( char str[100])
{
请计算 sizeof( str ) = ? //注意,此时,str已经退化为一个指针,详情见
//下一篇指针与数组
}
  分析:上面的例子,答案都是4,因为从上面的讨论可以知道,指针本身的值对应着内存中的一个地址,它的size只与机器的字长有关(即它是由系统的内存模型决定的),在32位机器中,这个长度是4个字节。

  3、对指针所指向物的分析

  现在再对指针这个复合类型的第二部分,指针所指向物的意义进行分析。

  上面我们已经得到了指针本身的类型,那么将指针本身的类型去掉 “*”号就可得到指针所指向物的类型,分别如下:

  a)、int

  所指向物是一个整数。

  b)、int*

  所指向物是一个指向整数的指针。

  c)、int ()[3]

  ()为空,可以去掉,变为int [3],所指向物是一个拥有三个整数的数组。

  d)、int ()()

  第一个()为空,可以去掉,变为int (),所指向物是一个函数,这个函数的参数为空,返回值为整数。

  4、附加分析

  另外,关于指针本身大小的问题,在C++中与C有所不同,这里我也顺带谈一下。

  在C++中,对于指向对象成员的指针,它的大小不一定是4个字节,这主要是因为在引入多重虚拟继承以及虚拟函数的时候,有些附加的信息也需要通过这个指针进行传递,因此指向对象成员的指针会增大,不论是指向成员数据,还是成员函数都是如此,具体与编译器的实现有关,你可以编写个很小的C++程序去验证一下。另外,对一个类的静态成员(static member,可以是静态成员变量或者静态成员函数)来说,指向它的指针只是普通的函数指针,而不是一个指向类成员的指针,所以它的大小不会增加,仍旧是4个字节。
  指针运算符&和*

  “&和*”,它们是一对相反的操作,’&’取得一个物的地址(也就是指针本身),’*’得到一个地址里放的物(指针所指向的物)。这个东西可以是值(对象)、函数、数组、类成员(class member)等等。

  参照上面的分析我们可以很好地理解&与*。

  使用指针的好处?

  关于指针的本质和基本的运算符我们讨论过了,在这里,我想再笼总地谈一谈使用指针的必要性和好处,为我们今后的使用和对后面篇章的理解做好铺垫。简而言之,指针有以下好处:

  1)、方便使用动态分配的数组。

  这个解释我放在本系列第六篇中进行讲解。

  2)、对于相同类型(甚至是相似类型)的多个变量进行通用访问。

  就是用一个指针变量不断在多个变量之间指来指去,从而使得非常应用起来非常灵活,不过,这招也比较危险,需要小心使用:因为出现错误的指针是编程中非常忌讳的事情。

  3)、变相改变一个函数的值传递特性。

  说白了,就是指针的传地址作用,将一个变量的地址作为参数传给函数,这样函数就可以修改那个变量了。

  4)、节省函数调用代价。

  我们可以将参数,尤其是大个的参数(例如结构,对象等),将他们地址作为参数传给函数,这样可以省去编译器为它们制作副本所带来的空间和时间上的开销。

  5)、动态扩展数据结构。

  因为指针可以动态地使用malloc/new生成堆上的内存,所以在需要动态扩展数据结构的时候,非常有用;比如对于树、链表、Hash表等,这几乎是必不可少的特性。

  6)、与目前计算机的内存模型相对应,可按照内存地址进行直接存取,这使得C非常适合于一些较底层的应用。

  这也是C/C++指针一个强大的优点,我会在后面讲述C语言的底层操作时,较详细地介绍这个优点的应用。

  7)、遍历数组。

  据个例子来说吧,当你需要对字符串数组进行操作时,想一想,你当然要用字符串指针在字符串上扫来扫去。

  …实在太多了,你可以慢慢来补充^_^。
  指针本身的相关问题

  1、问题:空指针的定义

  曾经看过有的.h文件将NULL定义为0L,为什么?

  答案与分析:

  这是一个关于空指针宏定义的问题。指针在C语言中是经常使用的,有时需要将一个指针置为空指针,例如在指针变量初始化的时候。
C语言中的空指针和Pascal或者Lisp语言中的NIL具有相同的地位。那如何定义空指针呢?下面的语句是正确的:

char *p1 = 0;
int *p2;
if (p != 0)
{
...
}
p2 = 0;
  也就是说,在指针变量的初始化、赋值、比较操作中,0会被编译器理解为要将指针置为空指针。至于空指针的内部表示是否是0,则随不同的机器类型而定,不过通常都是0。但是在另外一些场合下,例如函数的参数原型是指针类型,函数调用时如果将0作为参数传入,编译器则不能将其理解为空指针。此时需要明确的类型转换,例如:

void func (char *p);
func ((char *)0);
  一般情况下,0是可以放在代码中和指针关联使用的,但是有些程序员(数量还不少呦!也许就包括你在内)不喜欢0的直白,认为其不能表示作为指针的特殊含义,于是要定义一个宏NULL,来明确表示空指针常量。这也是对的,人家C语言标准就明确说:“ NULL应该被定义为与实现相关的空指针常量”。但是将NULL定义成什么样的值呢?我想你一定见过好几种定义NULL的方法:

#define NULL 0
#define NULL (char *)0
#define NULL (void *)0
  在我们使用的绝大多数计算系统上,例如PC,上述定义是能够工作的。然而,世界上还有很多其它种类的计算机,其CPU也不是Intel的。在某些系统上,指针和整数的大小和内部表示并不一致,甚至不同类型的指针的大小都不一致。为了避免这种可移植性问题,0L是一种最为安全的、最妥帖的定义方式。0L的含义是: “值为0的整数常量表达式”。这与C语言给出的空指针定义完全一致。因此,建议采用0L作为空指针常量NULL的值。

  其实 NULL定义值,和操作系统的的平台有关, 将一个指针定义为 NULL, 其用意是为了保护操作系统,因为通过指针可以访问任何一块地址, 但是,有些数据是不许一般用户访问的,比如操作系统的核心数据。 当我们通过一个空(NULL)的指针去方位数据时,系统会提示非法, 那么系统又是如何知道的呢??

  以windows2000系统为例, 该系统规定系统中每个进程的起始地址(0x00000000)开始的某个地址范围内是存放系统数据的,用户进程无法访问, 所以当用户用空指针(0)访问时,其实访问的就是0x00000000地址的系统数据,由于该地址数据是受系统保护的,所以系统会提示错误(指针访问非法)。

  这也就是说NULL值不一定要定义成0,起始只要定义在系统的保护范围的地址空间内,比如定义成(0x00000001, 0x00000002)都会起到相同的作用,但是为了考虑到移植性,普遍定义为0 。

  2、问题:与指针相关的编程规则&规则分析

  指针既然这么重要,而且容易出错,那么有没有方法可以很好地减少这些指针相关问题的出现呢?

  答案与分析:

  减少出错的根本是彻底理解指针。

  在方法上,遵循一定的编码规则可能是最立竿见影的方法了,下面我来阐述一下与指针相关的编程规则:

  1) 未使用的指针初始化为NULL 。

  2) 在给指针分配空间前、分配后均应作判断。

  3) 指针所指向的内容删除后也要清除指针本身。

  要牢记指针是一个复合的数据结构这个本质,所以我们不论初始化和清除都要同时兼顾指针本身(上述规则1,3)和指针所指向的内容(上述规则2,3)这两个方面。

  遵循这些规则可以有效地减少指针出错,我们来看下面的例子:

void Test(void)
{
 char *str = (char *) malloc(100);
 strcpy(str, “hello”);
 free(str);
 if(str != NULL)
 {
  strcpy(str, “world”);
  printf(str);
 }
}
  请问运行Test函数会有什么样的结果?

  答:

  篡改动态内存区的内容,后果难以预料,非常危险。因为free(str);之后,str成为野指针,if(str != NULL)语句不起作用。

  如果我们牢记规则3,在free(str)后增加语句:

str = NULL;
  那么,就可以防止这样的错误发生。

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