概述
Joel Spolsky認(rèn)為，對(duì)指針的理解是一種aptitude，不是通過(guò)訓(xùn)練就可以達(dá)到的。雖然如此，我還是想談一談這個(gè)C/C++語(yǔ)言中最強(qiáng)勁也是最容易出錯(cuò)的要素。
鑒于指針和目前計(jì)算機(jī)內(nèi)存結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)，很多C語(yǔ)言比較本質(zhì)的特點(diǎn)都孕育在其中，因此，本篇和第六、第七兩篇我都將以指針為主線，結(jié)合在實(shí)際編程中遇到的問(wèn)題，來(lái)詳細(xì)談?wù)勱P(guān)于指針的幾個(gè)重要方面。
指針類型的本質(zhì)分析
1、指針的本質(zhì)
指針的本質(zhì)：一種復(fù)合的數(shù)據(jù)類型。下面我將以下面幾個(gè)作為例子進(jìn)行展開(kāi)分析：
a）、int *p；b）、int **p；c）、int （*parValue）[3]；d）、int （*pFun）（）；
分析：
所謂的數(shù)據(jù)類型就是具有某種數(shù)據(jù)特征的東東，比如數(shù)據(jù)類型char，它的數(shù)據(jù)特征就是它所占據(jù)的內(nèi)存為1個(gè)字節(jié)， 指針也很類似，指針?biāo)赶虻闹狄舱紦?jù)著內(nèi)存中的一塊地址，地址的長(zhǎng)度與指針的類型有關(guān)，比如對(duì)于char型指針，這個(gè)指針占據(jù)的內(nèi)存就是1個(gè)字節(jié)，因此指針也是一種數(shù)據(jù)類型，但我們知道指針本身也占據(jù)了一個(gè)內(nèi)存空間地址，地址的長(zhǎng)度和機(jī)器的字長(zhǎng)有關(guān)，比如在32位機(jī)器中，這個(gè)長(zhǎng)度就是4個(gè)字節(jié)，因此指針本身也同樣是一種數(shù)據(jù)類型，因此，我們說(shuō)，指針其實(shí)是一種復(fù)合的數(shù)據(jù)類型，
好了，現(xiàn)在我們可以分析上面的幾個(gè)例子了。
假設(shè)有如下定義：
int nValue；那么，nValue的類型就是int，也就是把nValue這個(gè)具體變量去掉后剩余的部分，因此，上面的4個(gè)聲明可以類比進(jìn)行分析：
a）、int *
*代表變量（指針本身）的值是一個(gè)地址，int代表這個(gè)地址里面存放的是一個(gè)整數(shù)，這兩個(gè)結(jié)合起來(lái)，int *定義了一個(gè)指向整數(shù)的指針，類推如下：
b）、int **
指向一個(gè)指向整數(shù)的指針的指針。
c）、int （*）[3]
指向一個(gè)擁有三個(gè)整數(shù)的數(shù)組的指針。
d）、int （*）（）
指向一個(gè)函數(shù)的指針，這個(gè)函數(shù)參數(shù)為空，返回值為整數(shù)。
分析結(jié)束，從上面可以看出，指針包括兩個(gè)方面，一個(gè)是它本身的值，是一個(gè)內(nèi)存中的地址；另一個(gè)是指針?biāo)赶虻奈?，是這個(gè)地址中所存放著具有各種各樣意義的數(shù)據(jù)。
2、對(duì)指針本身值的分析
下面例子考察指針本身的值（環(huán)境為32位的計(jì)算機(jī)）：
void *p = malloc（ 100 ）；請(qǐng)計(jì)算sizeof （ p ） = ？
char str[] = “Hello” ；char *p = str ；
請(qǐng)計(jì)算sizeof （ p ） = ？
void Func （ char str[100]）
{
請(qǐng)計(jì)算 sizeof（ str ） = ？ //注意，此時(shí)，str已經(jīng)退化為一個(gè)指針，詳情見(jiàn)
//下一篇指針與數(shù)組
}
分析：上面的例子，答案都是4，因?yàn)閺纳厦娴挠懻摽梢灾?，指針本身的值?duì)應(yīng)著內(nèi)存中的一個(gè)地址，它的size只與機(jī)器的字長(zhǎng)有關(guān)（即它是由系統(tǒng)的內(nèi)存模型決定的），在32位機(jī)器中，這個(gè)長(zhǎng)度是4個(gè)字節(jié)。
3、對(duì)指針?biāo)赶蛭锏姆治?/strong>
現(xiàn)在再對(duì)指針這個(gè)復(fù)合類型的第二部分，指針?biāo)赶蛭锏囊饬x進(jìn)行分析。
上面我們已經(jīng)得到了指針本身的類型，那么將指針本身的類型去掉 “*”號(hào)就可得到指針?biāo)赶蛭锏念愋停謩e如下：
a）、int
所指向物是一個(gè)整數(shù)。
b）、int*
所指向物是一個(gè)指向整數(shù)的指針。
c）、int （）[3]
（）為空，可以去掉，變?yōu)閕nt [3]，所指向物是一個(gè)擁有三個(gè)整數(shù)的數(shù)組。
d）、int （）（）
第一個(gè)（）為空，可以去掉，變?yōu)閕nt （），所指向物是一個(gè)函數(shù)，這個(gè)函數(shù)的參數(shù)為空，返回值為整數(shù)。
4、附加分析
另外，關(guān)于指針本身大小的問(wèn)題，在C++中與C有所不同，這里我也順帶談一下。
在C++中，對(duì)于指向?qū)ο蟪蓡T的指針，它的大小不一定是4個(gè)字節(jié)，這主要是因?yàn)樵谝攵嘀靥摂M繼承以及虛擬函數(shù)的時(shí)候，有些附加的信息也需要通過(guò)這個(gè)指針進(jìn)行傳遞，因此指向?qū)ο蟪蓡T的指針會(huì)增大，不論是指向成員數(shù)據(jù)，還是成員函數(shù)都是如此，具體與編譯器的實(shí)現(xiàn)有關(guān)，你可以編寫(xiě)個(gè)很小的C++程序去驗(yàn)證一下。另外，對(duì)一個(gè)類的靜態(tài)成員（static member，可以是靜態(tài)成員變量或者靜態(tài)成員函數(shù)）來(lái)說(shuō)，指向它的指針只是普通的函數(shù)指針，而不是一個(gè)指向類成員的指針，所以它的大小不會(huì)增加，仍舊是4個(gè)字節(jié)
指針運(yùn)算符&和*
“&和*”，它們是一對(duì)相反的操作，‘&’取得一個(gè)物的地址（也就是指針本身），‘*’得到一個(gè)地址里放的物（指針?biāo)赶虻奈铮?。這個(gè)東西可以是值（對(duì)象）、函數(shù)、數(shù)組、類成員（class member）等等。
參照上面的分析我們可以很好地理解&與*.
使用指針的好處？
關(guān)于指針的本質(zhì)和基本的運(yùn)算符我們討論過(guò)了，在這里，我想再籠總地談一談使用指針的必要性和好處，為我們今后的使用和對(duì)后面篇章的理解做好鋪墊。簡(jiǎn)而言之，指針有以下好處：
1）、方便使用動(dòng)態(tài)分配的數(shù)組。
這個(gè)解釋我放在本系列第六篇中進(jìn)行講解。
2）、對(duì)于相同類型（甚至是相似類型）的多個(gè)變量進(jìn)行通用訪問(wèn)。
就是用一個(gè)指針變量不斷在多個(gè)變量之間指來(lái)指去，從而使得非常應(yīng)用起來(lái)非常靈活，不過(guò)，這招也比較危險(xiǎn)，需要小心使用：因?yàn)槌霈F(xiàn)錯(cuò)誤的指針是編程中非常忌諱的事情。
3）、變相改變一個(gè)函數(shù)的值傳遞特性。
說(shuō)白了，就是指針的傳地址作用，將一個(gè)變量的地址作為參數(shù)傳給函數(shù)，這樣函數(shù)就可以修改那個(gè)變量了。
4）、節(jié)省函數(shù)調(diào)用代價(jià)。
我們可以將參數(shù)，尤其是大個(gè)的參數(shù)（例如結(jié)構(gòu)，對(duì)象等），將他們地址作為參數(shù)傳給函數(shù)，這樣可以省去編譯器為它們制作副本所帶來(lái)的空間和時(shí)間上的開(kāi)銷。
5）、動(dòng)態(tài)擴(kuò)展數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
因?yàn)橹羔樋梢詣?dòng)態(tài)地使用malloc/new生成堆上的內(nèi)存，所以在需要?jiǎng)討B(tài)擴(kuò)展數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的時(shí)候，非常有用；比如對(duì)于樹(shù)、鏈表、Hash表等，這幾乎是必不可少的特性。
6）、與目前計(jì)算機(jī)的內(nèi)存模型相對(duì)應(yīng)，可按照內(nèi)存地址進(jìn)行直接存取，這使得C非常適合于一些較底層的應(yīng)用。
這也是C/C++指針一個(gè)強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，我會(huì)在后面講述C語(yǔ)言的底層操作時(shí)，較詳細(xì)地介紹這個(gè)優(yōu)點(diǎn)的應(yīng)用。
7）、遍歷數(shù)組。
據(jù)個(gè)例子來(lái)說(shuō)吧，當(dāng)你需要對(duì)字符串?dāng)?shù)組進(jìn)行操作時(shí)，想一想，你當(dāng)然要用字符串指針在字符串上掃來(lái)掃去。
…實(shí)在太多了，你可以慢慢來(lái)補(bǔ)充^_^.
指針本身的相關(guān)問(wèn)題
1、問(wèn)題：空指針的定義
曾經(jīng)看過(guò)有的。h文件將NULL定義為0L，為什么？
答案與分析：
這是一個(gè)關(guān)于空指針宏定義的問(wèn)題。指針在C語(yǔ)言中是經(jīng)常使用的，有時(shí)需要將一個(gè)指針置為空指針，例如在指針變量初始化的時(shí)候。
C語(yǔ)言中的空指針和Pascal或者Lisp語(yǔ)言中的NIL具有相同的地位。那如何定義空指針呢？下面的語(yǔ)句是正確的：
char *p1 = 0；int *p2；if （p ！= 0）
{……
} p2 = 0；也就是說(shuō)，在指針變量的初始化、賦值、比較操作中，0會(huì)被編譯器理解為要將指針置為空指針。至于空指針的內(nèi)部表示是否是0，則隨不同的機(jī)器類型而定，不過(guò)通常都是0.但是在另外一些場(chǎng)合下，例如函數(shù)的參數(shù)原型是指針類型，函數(shù)調(diào)用時(shí)如果將0作為參數(shù)傳入，編譯器則不能將其理解為空指針。此時(shí)需要明確的類型轉(zhuǎn)換，例如：
void func （char *p）；func （（char *）0）；一般情況下，0是可以放在代碼中和指針關(guān)聯(lián)使用的，但是有些程序員（數(shù)量還不少呦！也許就包括你在內(nèi)）不喜歡0的直白，認(rèn)為其不能表示作為指針的特殊含義，于是要定義一個(gè)宏NULL，來(lái)明確表示空指針常量。這也是對(duì)的，人家C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)就明確說(shuō)：“ NULL應(yīng)該被定義為與實(shí)現(xiàn)相關(guān)的空指針常量”。但是將NULL定義成什么樣的值呢？我想你一定見(jiàn)過(guò)好幾種定義NULL的方法：
#define NULL 0
#define NULL （char *）0
#define NULL （void *）0
在我們使用的絕大多數(shù)計(jì)算系統(tǒng)上，例如PC，上述定義是能夠工作的。然而，世界上還有很多其它種類的計(jì)算機(jī)，其CPU也不是Intel的。在某些系統(tǒng)上，指針和整數(shù)的大小和內(nèi)部表示并不一致，甚至不同類型的指針的大小都不一致。為了避免這種可移植性問(wèn)題，0L是一種最為安全的、最妥帖的定義方式。0L的含義是： “值為0的整數(shù)常量表達(dá)式”。這與C語(yǔ)言給出的空指針定義完全一致。因此，建議采用0L作為空指針常量NULL的值。
其實(shí) NULL定義值，和操作系統(tǒng)的的平臺(tái)有關(guān)， 將一個(gè)指針定義為 NULL， 其用意是為了保護(hù)操作系統(tǒng)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)指針可以訪問(wèn)任何一塊地址， 但是，有些數(shù)據(jù)是不許一般用戶訪問(wèn)的，比如操作系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)。 當(dāng)我們通過(guò)一個(gè)空（NULL）的指針去方位數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示非法， 那么系統(tǒng)又是如何知道的呢？？
以windows2000系統(tǒng)為例， 該系統(tǒng)規(guī)定系統(tǒng)中每個(gè)進(jìn)程的起始地址（0x00000000）開(kāi)始的某個(gè)地址范圍內(nèi)是存放系統(tǒng)數(shù)據(jù)的，用戶進(jìn)程無(wú)法訪問(wèn)， 所以當(dāng)用戶用空指針（0）訪問(wèn)時(shí)，其實(shí)訪問(wèn)的就是0x00000000地址的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，由于該地址數(shù)據(jù)是受系統(tǒng)保護(hù)的，所以系統(tǒng)會(huì)提示錯(cuò)誤（指針訪問(wèn)非法）。
這也就是說(shuō)NULL值不一定要定義成0，起始只要定義在系統(tǒng)的保護(hù)范圍的地址空間內(nèi)，比如定義成（0x00000001， 0x00000002）都會(huì)起到相同的作用，但是為了考慮到移植性，普遍定義為0 .
2、問(wèn)題：與指針相關(guān)的編程規(guī)則&規(guī)則分析
指針既然這么重要，而且容易出錯(cuò)，那么有沒(méi)有方法可以很好地減少這些指針相關(guān)問(wèn)題的出現(xiàn)呢？
答案與分析：
減少出錯(cuò)的根本是徹底理解指針。
在方法上，遵循一定的編碼規(guī)則可能是最立竿見(jiàn)影的方法了，下面我來(lái)闡述一下與指針相關(guān)的編程規(guī)則：
1） 未使用的指針初始化為NULL .
2） 在給指針?lè)峙淇臻g前、分配后均應(yīng)作判斷。
3） 指針?biāo)赶虻膬?nèi)容刪除后也要清除指針本身。
要牢記指針是一個(gè)復(fù)合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這個(gè)本質(zhì)，所以我們不論初始化和清除都要同時(shí)兼顧指針本身（上述規(guī)則1，3）和指針?biāo)赶虻膬?nèi)容（上述規(guī)則2，3）這兩個(gè)方面。
遵循這些規(guī)則可以有效地減少指針出錯(cuò)，我們來(lái)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); } } |
請(qǐng)問(wèn)運(yùn)行Test函數(shù)會(huì)有什么樣的結(jié)果？
答：
篡改動(dòng)態(tài)內(nèi)存區(qū)的內(nèi)容，后果難以預(yù)料，非常危險(xiǎn)。因?yàn)閒ree（str）；之后，str成為野指針，if（str ！= NULL）語(yǔ)句不起作用。
如果我們牢記規(guī)則3，在free（str）后增加語(yǔ)句：
str = NULL；
那么，就可以防止這樣的錯(cuò)誤發(fā)生。
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