指针核心知识——从内存地址到多级指针

目录

• 一：内存
• 二：计算机常见单位
• 三：内存单元
• 四：指针变量和地址
• 五：指针运算
• 六：传值调用与传址调用
• 七：二级指针
• 八：总结

引言

本文面向刚接触 C 语言的初学者，聚焦一个常见困惑：变量在内存中究竟如何存放，指针又为何能"指向"数据。文章从内存与地址的基本概念讲起，逐步拆解指针变量、指针类型、指针运算、传值/传址调用与二级指针，帮你建立一套可落地的指针认知框架，读懂并写出正确的指针代码。

TL;DR

• 内存被划分为以字节为单位的单元，每个单元有唯一编号，这个编号就是地址，也就是指针。
• 指针变量是专门存放地址的变量，int* pa = &a; 中 * 表示它是指针，int 表示它指向的数据类型。
• 指针类型决定解引用的权限（一次操作几个字节）和+/-整数时的步长。
• 指针大小与类型无关，只与平台有关：x86 为 4 字节，x64 为 8 字节。
• 想在函数内部修改外部变量，必须用传址调用（传地址），这是指针最实用的场景之一。

一：内存

计算机上CPU（中央处理器）在处理数据时，需要的数据是在内存中读取的，处理后的数据也会放回内存中

• 高效内存管理：
  • 把内存划分为一个个内存单元，每个内存单元的大小取1个字节，然后给每一个内存单元一个编号（类似于房间编号）

二：计算机常见单位

一个比特位可以存储一个二进制的位1或位0

1024 = 2^10

三：内存单元

• 计算机中，把内存分为若干个有1个字节大小的内存单元
  • 每个内存单元相当于每个学生宿舍
  • 一个内存单元 = 1 Byte = 8 bit = 8人间
  • 一个bit = 一个室友
  • 每个内存单元都有一个编号 = 宿舍门牌号
    • 有了这个内存单元的编号，CPU就可以快速找到一个内存空间
• 生活中我们把门牌号称为地址；在计算机内存中把内存单元的编号也称为地址
  • 内存单元的编号 = 地址 = 指针
• 补充知识：
  • 实际上我们编写的运行在x86架构下的计算机上的C语言程序，不会直接访问物理内存
  • 程序运行时为变量分配的地址，在程序调试过程中，我们看到的地址都是虚拟地址；虚拟地址不是物理地址，虚拟地址是虚拟地址空间中的地址
    • 虚拟地址空间：操作系统（eg：Windows地址）为每个程序提供的一个假想的，独占的，连续的内存空间
    • 程序中的虚拟地址，会由CPU的内存管理单元（MMU）映射到物理内存中，其实程序最终还是会访问物理内存的，这个由虚拟地址换成物理地址的过程地址转换/地址映射
  • 能直接访问物理内存的情况（非常特殊的领域）：
    • 1.嵌入式系统：没有MMU（叫单片机或MCU,如ARM Cortex—M系列，Arduino），C程序直接使用物理地址，此时，编译器和程序员需要亲自管理整个内存布局
    • 2.操作系统内核：内核拥有最高权限，可直接访问物理地址

四：指针变量和地址

1.取地址操作符（&）

&：取出内存中数据（变量、数组等）的地址。
& 取出的地址是该数据中第一个字节（地址较小的字节）的地址。

2.指针变量

指针变量是用来专门存放地址（指针）的一个变量

通过&拿到的地址是一个数值，这个数值有时也需要存起来，方便后续使用，那么这个地址就要存放在指针变量中

指针变量是个单独的变量类型，具体写法就是在基本变量类型后加——*

I.指针类型的拆解

inta=0；int*pa=&a；//type * pointer_name = &variable_name//指针指向的对象类型 *说明该变量是指针变量 指针名字 要存的地址

II.指针变量的创建与初始化

//eg:int*pa=&a;//创建与初始化

• 指针变量也是一种变量，这种变量就是专门用来存地址的，存放在指针变量里的值都会被理解成地址

#include<stdio.h>int*p=NULL

• 若创建一个指针变量时，不知道给指针赋什么值或暂时不需要指向变量，可用NULL来初始化
  • NULL是C语言中定义的一个标识符常量，值是0,0也是地址，这个地址是无法使用的，读写该地址会报错
  • 一个指针变量被初始化为NULL，意思是这个指针变量暂时不指向任何有效的内存位置，等后续使用时的时候，可以给赋值新的地址
  • NULL的使用要包含头文件<stdio.h>
    • NULL —— 0
    • \0 —— 0
    • 0 —— 0
    • ‘0’ —— 48
• 若指针变量未初始化
  • 1.全局：默认会初始化为0（NULL指针）
  • 2.局部：野指针（值是未知的），强制使用时，野指针会导致非法访问内存，程序崩溃
    

III.解引用操作符（*[单目]）

只要拿到了地址（指针），就可以通过地址（指针）找到它指向的对象。要完成这类操作，就必须学习一个操作符——解引用操作符（间接访问操作符）*。

inta=;int*pa=&a;printf("%d\n",a);//10——aprintf("%d\n",*pa);//10——*pa——a//解应用，*pa相当于a*pa=100;//a = 100printf("%d\n",a);//100——aprintf("%d\n",*pa);//100——*pa——a

IV.指针变量大小

• C语言标准并未规定指针变量的大小（长度）
  • x64下：都是8字节
  • x86下：都是4字节
    变量长度与类型无关
• 指针变量的大小（指针类型的长度）是取决于数据类型的
  • 常见数据类型

32位平台下地址是32个bit位，指针变量大小是4个字节 64位平台下地址是64个bit位，指针变量大小是8个字节

• 注：指针变量的大小与类型无关，只要是指针类型的变量，在相同平台下，大小都是相同的
  • 指针变量是用来存放地址的
  • 地址的存放需多大空间，指针变量的长度就是多大

V.指针类型的意义

【1】指针解引用

指针类型决定了对指针解引用的时候有多大的权限（一次操作几个字节）

转换不同类型的方法

inta=1;char*pa=(char*)&a;

【2】指针+，-整数

• 指针+1，其实就是跳过1个指针指向的元素，所以指针+n，就是跳过n个指针指向的元素
• 指针可以+n，也可以-n

intn=10;char*pc=(char*)&n;int*pi=&n;//&n = pc = pi//n = *pc = *pipc+1//= &n + 1pi+1//= &i + 4

• 指针的类型决定了指针向前或向后走一步移动多大（距离），指针+，-整数，让指针可以在内存中向前或向后移动，为使用指针访问内存打好了基础

【3】void* 指针

• void* 可理解为无具体类型的指针（泛型指针），这种类型的指针可以用来接收任意类型的地址（不会弹警告）
  • 局限性：void*类型的指针不能进行解引用和指针的+，-整数运算
• 后续应用：
  • 一般void*类型的指针是使用在函数参数的部分，用来接收不同类型数据的地址，这样设计可以实现泛型编程的效果，使得一个函数来处理多种类型的数据

五：指针运算

指针+/-整数，指针-指针，指针关系运算

学习指针—>用指针管理内存（读内存中数据；把数据写进内存）

1.指针+/-整数

I.指针访问一维数组

因为数组在内存中是连续存放的，故只需要知道第一个元素的地址，就能顺藤摸瓜找到后面的所有元素

• 以int数组为例

补充：指针与数组名的区别

初学时很容易把数组名当成指针，二者在「访问元素」上确实很像，但在类型和语义上并不等价。下表从五个维度做个对比（以 int arr[5]; int* p = arr; 为例）：

一句话概括：数组名在大多数表达式中会「退化」成指向首元素的指针，但它本身不是指针变量——它不能被赋值，sizeof 得到的是整个数组的大小。也正因为如此，函数形参写成 int arr[] 时，实际接收到的仍是一个指针，数组长度信息在传参时就丢失了。

II.模拟实现strlen函数

size_tstrlen1(char*s){intcount=0;while(*s){//原因：'\0'ASCII码值为0count++;s++;}returncount;}

2.指针 - 指针

指针1 + 整数n = 指针2（向后跳n个元素后的地址）
指针2 - 整数n = 指针1（向前跳n个元素后的地址）
指针2 - 指针1 = 整数n（指针1 - 指针2 = -n）

• 指针 - 指针结果的绝对值是两个 指针间原数的个数
• 两个指针相减运算的前提—>两个指针指向同一块内存，否则无意义（eg：arr）
• 注：指针相减会自动除以sizeof（type）

练习：模拟strlen

size_tstrlen2(char*s){char*str=s;//起始位置char*end=s;//寻\0while(*end){end++；}returnend-str;}

3.指针的相关运算

地址的本质是数值，数值可以比较大小，所以也就满足关系运算
现在以数组为例（连续地址【arr】由低到高运算）

#include<stdio.h>intmain(){intarr[]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};int*p=&arr[0];intsize=sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);while(p<&arr[size]){//&arr[0~9] < &arr[10]printf("%d",*p);//虽然arr[10]越界了，但仍能指向（越界危险的原因）p++;//指向的是arr[9]的下一个int大小内存的地址}return0;}

六：传值调用与传址调用

一类必须要用到指针的就是传址调用——eg：用函数交换两个数的值

• 传值调用：
  • 调用函数时，把实参的值复制给形参
  • 形参和实参是两块独立内存
  • 函数内修改形参，不影响外部实参

//正常写intmain(){inta=10;intb=20;intz=0;//赋值时会把变量覆盖，因此要引入临时变量z=a;a=b;b=z;return0;}//若想用函数voidswap(inta,intb){intz=0;z=a;//逻辑无问题，但对形参的修改不影响实参a=b;//注：形参与实参的地址也是不同的，形参有单独的地址b=z;}

• 传址调用
  • 把实参的地址传给形参，形参通常是指针
  • 函数通过指针解引用 *p 可以修改外部实参
  • 严格来说，C 语言传地址的本质仍然是传值——传的是地址这个值

voidswap2(int*p1,int*p2){intz=0;z=*p1;*p1=*p2;*p2=z;}intmain(){inta=10;intb=20;swap2(&a,&b);return0;}

• 结论：
  • 传值调用时，实参传递给形参时，形参会单独创建一份临时空间来接收实参，对形参的修改不影响实参
  • 传址调用时可以让函数和主调函数之间建立真正的联系，在函数内部可以修改主调函数中的变量
  • 若是函数中只是需要主调函数中的变量值来完成计算，就采用——传值调用
  • 若是函数内部要修改主调函数中的变量的值，就采用——传址调用
    • 数组传值的本质——传址调用

七：二级指针

二级指针——存指针变量的地址（变量的地址的地址）

inta=10;//普通变量int*pa=&a;//一级指针int**ppa=&pa;//二级指针int***pppa=&ppa//三级指针//以此类推

I.分析

inta=10；int*pa=&a;//指针指向的类型——int 表明是指针变量int**ppa=&pa;//指针指向的类型——int* 表明是指针变量

II.解引用应用

• 指针相当于加密锁
• 多级指针相当于多级加密锁

#include<stdio.h>intmain(){inta=10;int*pa=&a;int**ppa=&pa;int***pppa=&ppa;printf("%d\n",a);//打印10printf("%d\n",*pa);//打印10printf("%d\n",**ppa);//打印10printf("%d\n",***pppa);//打印10printf("%d\n",****ppppa);//打印10}

八：总结

• 内存被划分为以字节为单位的单元，每个单元有唯一编号，这个编号就是地址，也就是指针；内存单元的编号 = 地址 = 指针。
• & 取出的是变量所占内存中第一个字节（地址较小字节）的地址，把它存进变量，就得到了指针变量。
• 指针类型决定两件事：解引用时一次能操作几个字节，以及 +/- 整数时一步跨过多少字节。
• 指针变量的大小与所指类型无关，只与平台有关：x86 为 4 字节，x64 为 8 字节。
• 指针运算建立在「数组在内存中连续存放」之上：p + n 跳过 n 个元素，同一块内存中的两个指针相减得到元素个数。
• 传值调用只复制实参的值，函数内改形参不影响外部；想在函数内部修改外部变量，必须传址调用（传地址）。
• 二级指针存放的是一级指针变量的地址，int** ppa = &pa; 中 * 的层数对应解引用的层数，多一级指针就多一次解引用。
• 学习路径建议：先吃透取地址 & 与解引用 * 这对互逆操作，再动手练指针 +/- 整数与指针相减，最后理解传址调用与二级指针，把「用指针管理内存」这件事真正跑通。