指针

定义

指针是一个变量，存储另一个变量的内存地址，它允许直接访问和操作内存中的数据，使得程序能够以更灵活和高效的方式处理数据和内存。

获取变量地址：使用取地址符 &。

访问地址上的数据：使用解引用符 *。

例子1

指针是存储另一个变量地址的变量。通过使用取地址符 & 和解引用符 *，我们可以灵活地访问和操作内存中的数据 。

#include <stdio.h>

int main() {
    int var = 10;     // 定义一个整数变量
    int *p = &var;    // 定义一个指向整数的指针，并将其初始化为变量 var 的地址

    printf("Address of var: %p\n", &var); // 输出变量 var 的地址
    printf("Address stored in pointer p: %p\n", p); // 输出指针 p 中存储的地址
    printf("Value of var using pointer: %d\n", *p); // 通过指针 p 解引用获取 var 的值

    // 修改 var 的值，通过指针 p
    *p = 20;
    printf("New value of var: %d\n", var); // 输出修改后的 var 的值

    return 0;
}

例子2

指针类型决定了它指向的变量类型，以及通过指针可以访问的数据大小。不同类型的指针在操作时会有不同的步长，比如：

int *p = (int *)a;：将 char 类型数组的首地址强制转换为 int 指针类型。由于 int 类型通常占用 4 个字节，因此通过 p 访问数据时，每次会读取 4 个字节的数据。

char *q = a;：将 char 类型数组的首地址赋值给 char 指针类型。char 类型占用 1 个字节，因此通过 q 访问数据时，每次只会读取 1 个字节的数据。

#include <stdio.h>

int main() {
    char a[12] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, 0x08, 0x09, 0x0A, 0x0B, 0x0C};
    int *p = (int *)a; // 将 char 数组的地址赋值给 int 指针
    char *q = a;       // 将 char 数组的地址赋值给 char 指针
    
    // 使用 int 指针访问数据
    printf("Using int pointer:\n");
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        printf("p[%d]: 0x%08x\n", i, *(p + i));
    }
    
    // 使用 char 指针访问数据
    printf("Using char pointer:\n");
    for (int i = 0; i < 12; i++) {
        printf("q[%d]: 0x%02x\n", i, *(q + i));
    }

    return 0;
}

/*
输出
Using int pointer:
p[0]: 0x04030201
p[1]: 0x08070605
p[2]: 0x0c0b0a09

Using char pointer:
q[0]: 0x01
q[1]: 0x02
q[2]: 0x03
q[3]: 0x04
q[4]: 0x05
q[5]: 0x06
q[6]: 0x07
q[7]: 0x08
q[8]: 0x09
q[9]: 0x0a
q[10]: 0x0b
q[11]: 0x0c
*/

一级指针和二级指针

一级地址（一级指针）

定义

一级地址指的是指向普通变量的指针，也就是直接存储变量的地址的指针。在C中，通常我们操作的是一级地址，例如指向整数、浮点数或其他基本数据类型的指针。

例子

int *ptr;  // ptr 是一个指向整数的指针，是一级地址
float *ptr_float;  // ptr_float 是一个指向浮点数的指针，也是一级地址

二级地址（二级指针）

定义

二级地址是指向指针的指针，也就是存储另一个指针的地址的指针。在C中，可以通过二级指针来操作指向指针的指针，用来间接修改指针指向的值或者传递指针的引用。

例子

int x = 10;
int *ptr1 = &x;  // ptr1 是一个指向 x 的指针，是一级地址
int **ptr2 = &ptr1;  // ptr2 是一个指向 ptr1 的指针，是二级地址

例子

分析表达式 *(*(&arr + 1) - 1) 的值：

int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};

1. arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5}：这定义了一个包含 5 个整数的数组 arr，其元素分别是 {1, 2, 3, 4, 5}。
2. &arr：这是数组 arr 的地址。需要注意的是，&arr 的类型是 int (*)[5]，即指向一个包含 5 个整数的数组的指针。
3. &arr + 1：这是 &arr 指针加 1。在这个上下文中，&arr 被看作是一个指向整个数组的指针，因此 &arr + 1 将指向紧随 arr 之后的内存位置。也就是说，它指向 arr 后面的内存地址，而不是数组中的下一个元素。&arr + 1 的类型仍然是 int (*)[5]。
4. *(&arr + 1)：这是对 &arr + 1 解引用。&arr + 1 是一个指向数组的指针，对其解引用后，得到的仍然是一个指向数组末尾之后的指针。它的类型是 int *，即指向数组末尾之后的指针。
5. *(&arr + 1) - 1：这将刚才得到的指针减去 1。由于指针的减法是以元素为单位的，这个操作将指针向后移动一个 int 的大小。因为 *(&arr + 1) 指向的是数组 arr 末尾之后的位置，减去 1 后，这个指针将指向数组 arr 的最后一个元素。
6. *(*(&arr + 1) - 1)：最后，对指针 *(&arr + 1) - 1 解引用，即获取这个指针所指向的值。这个指针现在指向 arr 的最后一个元素，所以这个表达式的值就是 arr 的最后一个元素的值。

因此，*(*(&arr + 1) - 1) 的值是 5，即数组 arr 的最后一个元素。

指针的自增运算

*++p

这个表达式是先对指针 p 进行自增操作，然后对新的指针进行解引用，得到新的指针所指向的值。

步骤：

1. ++p：指针 p 先自增，指向下一个元素（ 自增的是指针 ）。
2. *：对自增后的指针解引用，得到新指针所指向的值。

++*p

这个表达式是对指针 p 所指向的值进行解引用，然后对解引用得到的值进行自增操作。

步骤：

1. *p：对指针 p 进行解引用，得到指向的值。
2. ++：对解引用得到的值进行自增操作（ 自增的是指针指向的值 ）。

函数地址与数组地址

函数地址

函数名就是函数的入口地址，因此可以直接把函数名赋给函数指针，也可以加上取地址符号 &。取地址符号 & 是可选的，它只是显式地说明了编译器隐式执行的任务。获取函数的地址时，加不加取地址符号 & 都可以。

#include <stdio.h>

int test(int i) {
    return i;
}

int main(void) {
    int (*p1)(int) = test;
    int (*p2)(int) = &test;
    printf("%p, %p\n", (void *)p1, (void *)p2);
    return 0;
}

数组地址

数组名本身是数组第一个元素的地址。例如，对于 int 类型的数组来说，数组名 arr 的类型是 int*，它是一个整型指针，不是数组指针。如果要取整个数组的地址，必须在数组名前面加上取地址符号 &，这样才能赋值给数组指针。获取数组的地址时，必须加上取地址符号 &。

在下面的例子中， p1 是一个整型指针，指向数组的第一个元素，而 p2 是一个数组指针，指向整个数组。对 p1 和 p2 分别进行加 1 操作，p1 会加 4 个字节（假设 int 为 4 字节），而 p2 会加 20 个字节（5 个 int）。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int array[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int* p1 = array;         // 指向数组第一个元素
    int(*p2)[5] = &array;    // 指向整个数组
    printf("p1 %p\n", (void*)p1);
    printf("p2 %p\n", (void*)p2);
    printf("p1+1 %p\n", (void*)(p1+1));  // p1 加 1，增加 4 个字节（假设 int 为 4 字节）
    printf("p2+1 %p\n", (void*)(p2+1));  // p2 加 1，增加 20 个字节（5 个 int）
    return 0;
}

指针和数组

不需要严格区分的情况

访问数组元素

对于数组和指针，都可以使用下标形式或指针形式来访问元素。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    char array[] = "hello world!";
    char* p = array;

    array[1] = 'x';      // 使用下标访问数组
    *(array + 1) = 'x';  // 使用指针形式访问数组

    p[1] = 'y';          // 使用下标访问指针
    *(p + 1) = 'y';      // 使用指针形式访问指针

    printf("%s\n", array); // 输出: hyllo world!
    printf("%s\n", p);     // 输出: hyllo world!

    return 0;
}

作为函数参数传递

实参传递数组时，形参可以是数组或指针。实参传递指针时，形参也可以是数组或指针。编译器会将数组参数退化为指针。

#include <stdio.h>

void printArray(int arr[], int size) {
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");
}

int main(void) {
    int array[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    printArray(array, 5); // 传递数组
    return 0;
}

需要严格区分的情况

使用 sizeof 计算长度

sizeof(array) 返回数组的字节数。sizeof(pointer) 返回指针的大小（在64位系统中为8字节，在32位系统中为4字节）。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    char array[] = "hello world!";
    char* p = array;

    printf("sizeof(array) = %lu\n", sizeof(array)); // 输出: 13
    printf("sizeof(p) = %lu\n", sizeof(p));         // 输出: 8 (在64位系统中)

    return 0;
}

计算数组长度

当数组作为参数传递时，在函数内部不能使用 sizeof 计算数组长度，因为数组会退化为指针。

#include <stdio.h>

void test(int arg[]) {
    printf("sizeof(arg) = %lu\n", sizeof(arg)); // 输出指针大小，例如在64位系统中为8
}

int main(void) {
    int array[10];
    test(array); // 传递数组
    return 0;
}

声明外部变量

在一个文件中定义指针 p，在另一个文件中不能声明为数组。

//file1.c:

int* p;

// file2.c

extern int* p; // 正确：声明为指针
// extern int p[]; // 错误：不能声明为数组

指针常量和常量指针

指针常量

定义

不能改变指向的指针。也就是说，一旦初始化后，就不能再改变指向其它地址，但可以修改指针所指向地址上的内容。

例子

比如指针 p，因为它被 const 修饰，所以 p 不能被修改，它只能指向 str。如果强行对 p 进行 p++ 操作，编译时就会报错。我们称指针 p 为指针常量。尽管 p 本身不能被修改，但可以通过 p 来修改 str 的内容，例如 *p = 'H';。

char str[] = "hello world!";
char *const p = str;

常量指针

定义

不能改变所指向的值的指针。也就是说，通过这个指针不能修改它所指向的值，但可以修改指针的指向。

例子

p 是一个指向 char 类型常量的指针。可以修改 p 的指向，例如 p = another_str;，但不能通过 p 修改其指向的内容，例如 *p = 'H'; 是不允许的。

const char *p = "hello world!";
char const *p = "hello world!";

指针数组和数组指针

指针数组

定义

本质是一个数组，数组的每个元素都是指针。

例子1

int *p[4]; 这一声明中，p 先与中括号结合，表示 p 是一个有四个元素的数组，每个元素的类型都是 int *（指向整型的指针）。因此，我们称 p 为指针数组。

int *p[4];

例子2

int a = 1, b = 2, c = 3, d = 4;
int *p[4] = { &a, &b, &c, &d };

for (int i = 0; i < 4; i++) {
    printf("%d ", *p[i]);
}
// 输出：1 2 3 4

数组指针

定义

本质是一个指针，指向一个数组。

例子1

int (*p)[4]; 这一声明中，p 先与 * 结合，表示 p 是一个指针，然后与中括号结合，表示 p 指向一个有四个元素的数组，每个元素的类型都是 int。因此，我们称 p 为数组指针。

int (*p)[4];

例子2

int arr[4] = {1, 2, 3, 4};
int (*p)[4] = &arr;

for (int i = 0; i < 4; i++) {
    printf("%d ", (*p)[i]);
}
// 输出：1 2 3 4

函数指针和指针函数

函数指针

定义

本质是一个指针，指向一个函数。每个函数在内存中都有一个地址，函数调用就是跳转到这个地址开始执行，函数指针记录了这个地址的变量。

例子

p 是一个指针，指向一个函数，该函数有一个 int 类型的参数，返回值是 int。可以通过函数名 test(1) 来调用函数，也可以通过指针 p 来调用 p(1)或者(*p)(1)。

#include <stdio.h>

int test(int i) {
    return i;
}

int main(void) {
    int res = 0;
    int (*p)(int) = test;
    res = test(1);
    printf("%d\n", res);
    res = p(1);
    printf("%d\n", res);
    res = (*p)(1);
    printf("%d\n", res);
    return 0;
}

应用

往结构体中放入函数

C语言的结构体不支持成员函数，但可以通过函数指针实现类似的功能。结构体中可以定义一个函数指针，用来保存函数地址。函数名可以直接赋值给函数指针。C语言的结构体在使用时必须加上 struct 关键字，而 C++ 可以省略。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 定义一个打印函数
void print(int a, int b) {
    printf("%d %d\n", a, b);
}

// 定义一个结构体，其中包含一个函数指针
struct Test {
    void (*p)(int, int);
};

int main(void) {
    // 动态分配结构体内存
    struct Test* t = (struct Test *)malloc(sizeof(struct Test));
    if (t == NULL) {
        fprintf(stderr, "Memory allocation failed\n");
        return 1;
    }
    
    // 将函数指针指向打印函数
    t->p = print;
    
    // 调用函数指针
    t->p(3, 4); // 输出: 3 4
    
    // 释放动态分配的内存
    free(t);
    
    return 0;
}

回调函数

是一种通过函数指针实现的技术，允许在一个函数中调用另一个函数。通常用于事件驱动编程或处理异步操作。

#include <stdio.h>

// 定义一个回调函数类型
typedef void (*Callback)(int);

// 定义一个回调函数
void myCallback(int value) {
    printf("Callback called with value: %d\n", value);
}

// 定义一个执行操作并调用回调函数的函数
void performOperation(int x, Callback callback) {
    printf("Performing operation with value: %d\n", x);
    // 调用回调函数
    callback(x);
}

int main(void) {
    // 使用回调函数
    performOperation(5, myCallback);
    return 0;
}

动态函数调用

在需要根据某些条件动态选择和调用不同函数时，函数指针非常有用。例如，在一个计算器程序中可以动态选择不同的操作函数。

#include <stdio.h>

// 定义操作函数
int add(int a, int b) { return a + b; }
int subtract(int a, int b) { return a - b; }
int multiply(int a, int b) { return a * b; }
int divide(int a, int b) { return a / b; }

int main(void) {
    // 定义一个函数指针数组
    int (*operations[4])(int, int) = { add, subtract, multiply, divide };
    
    int a = 10, b = 5;
    char op = '+';

    // 根据操作符选择对应的函数
    int (*operation)(int, int) = NULL;
    switch (op) {
        case '+': operation = operations[0]; break;
        case '-': operation = operations[1]; break;
        case '*': operation = operations[2]; break;
        case '/': operation = operations[3]; break;
    }

    if (operation != NULL) {
        printf("Result: %d\n", operation(a, b));
    } else {
        printf("Invalid operation\n");
    }

    return 0;
}

实现多态行为

通过函数指针数组，可以在C语言中实现类似C++的多态行为。这种技术广泛应用于设计模式和框架中。

#include <stdio.h>

// 定义一个基类结构体
struct Shape {
    void (*draw)(struct Shape*);
};

// 定义一个派生类结构体
struct Circle {
    struct Shape base; // 基类
    int radius;
};

// 定义一个绘制函数
void drawCircle(struct Shape* shape) {
    struct Circle* circle = (struct Circle*)shape;
    printf("Drawing a circle with radius: %d\n", circle->radius);
}

int main(void) {
    // 创建一个 Circle 对象
    struct Circle c;
    c.base.draw = drawCircle;
    c.radius = 5;

    // 调用绘制函数
    c.base.draw((struct Shape*)&c);

    return 0;
}

实现状态机

是一种在不同状态之间转换的编程模式。可以通过函数指针实现状态之间的动态切换。

#include <stdio.h>

// 定义状态函数类型
typedef void (*StateFunction)();

// 定义状态函数
void stateA() {
    printf("State A\n");
}
void stateB() {
    printf("State B\n");
}
void stateC() {
    printf("State C\n");
}

int main(void) {
    // 定义一个状态函数指针数组
    StateFunction states[3] = { stateA, stateB, stateC };
    
    int currentState = 0;
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        // 调用当前状态函数
        states[currentState]();
        // 切换到下一个状态
        currentState = (currentState + 1) % 3;
    }

    return 0;
}

代码跳转到指定位置执行

比如((void(*)())0)();代表让程序跳转到地址为0的地方去运行。

解析步骤

1. (void (*)())：这是一个类型转换，表示一个指向返回类型为 void、无参数的函数的指针。具体来说，void (*)() 是一种函数指针类型，它指向的函数没有参数并返回 void。
2. 0：这是一个整数常量 0。在C中，可以将整数常量 0 作为空指针常量。
3. (void (*)())0：这将整数 0 转换为类型为 void (*)() 的函数指针。换句话说，这是将 0 解释为一个指向无参数、返回类型为 void 的函数的指针。
4. ((void (*)())0)：这只是对前面步骤的类型转换进行一次包裹，结果仍然是一个类型为 void (*)() 的函数指针，指向 0 地址。
5. ((void (*)())0)()：这表示对 0 地址的函数指针进行调用。具体来说，这是试图调用位于地址 0 处的函数。

指针函数

定义

本质是一个函数，其返回值是一个指针。

例子

错误示例

下面这个例子是一个典型的错误，因为不能返回一个局部变量的地址。函数调用完毕后，局部变量的内存会被释放，即使返回了这个地址也不能使用。

int* test() {
    int array[5] = {0};  // 局部变量
    return array;  // 错误：返回局部变量的地址
}

int main(void) {
    int* p = test();  // 不安全
    return 0;
}

返回堆空间地址

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int* test() {
    int* array = (int*)malloc(sizeof(int) * 5);  // 动态分配堆空间
    if (array != NULL) {
        for (int i = 0; i < 5; ++i) {
            array[i] = i;  // 初始化数组
        }
    }
    return array;  // 返回堆空间地址
}

int main(void) {
    int* p = test();
    if (p != NULL) {
        for (int i = 0; i < 5; ++i) {
            printf("%d ", p[i]);  // 输出：0 1 2 3 4
        }
        free(p);  // 释放动态分配的内存
    }
    return 0;
}

返回全局变量地址

#include <stdio.h>

int array[5];  // 全局变量

int* test() {
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        array[i] = i;  // 初始化数组
    }
    return array;  // 返回全局变量地址
}

int main(void) {
    int* p = test();
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        printf("%d ", p[i]);  // 输出：0 1 2 3 4
    }
    return 0;
}

返回静态变量地址

#include <stdio.h>

int* test() {
    static int array[5];  // 静态变量
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        array[i] = i;  // 初始化数组
    }
    return array;  // 返回静态变量地址
}

int main(void) {
    int* p = test();
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        printf("%d ", p[i]);  // 输出：0 1 2 3 4
    }
    return 0;
}

指针函数指针

定义

是一个指向返回指针的函数的指针。它不仅是一个指向函数的指针，而且该函数返回的也是一个指针。

例子

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 定义一个返回整数指针的函数
int* allocateArray(int size) {
    int* array = (int*)malloc(size * sizeof(int));  // 动态分配内存
    if (array != NULL) {
        for (int i = 0; i < size; ++i) {
            array[i] = i;  // 初始化数组
        }
    }
    return array;  // 返回堆空间地址
}

// 定义一个指向返回整数指针的函数的指针类型
typedef int* (*ArrayAllocator)(int);

int main(void) {
    // 定义一个指向返回整数指针的函数的指针
    ArrayAllocator allocator = allocateArray;
    
    int size = 5;
    // 使用指针函数指针调用函数
    int* array = allocator(size);
    if (array != NULL) {
        for (int i = 0; i < size; ++i) {
            printf("%d ", array[i]);  // 输出：0 1 2 3 4
        }
        printf("\n");
        free(array);  // 释放动态分配的内存
    }
    return 0;
}

悬挂指针和野指针

悬挂指针

定义

悬挂指针是指向已经释放（通过 free 函数释放）或者已经超出作用域的内存的指针。当我们试图通过这样的指针访问或操作内存时，可能会导致未定义行为，因为那块内存可能已经被操作系统重新分配给其它程序使用了。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void dangling_pointer_example() {
    int *p = (int *)malloc(sizeof(int));
    *p = 42;
    printf("Value: %d\n", *p); // 输出42

    free(p); // 释放内存

    // p现在是悬挂指针，访问*p将导致未定义行为
    // printf("Value: %d\n", *p); // 不安全，可能导致崩溃或未定义行为
}

int main() {
    dangling_pointer_example();
    return 0;
}

解决方法

立即将指针设为NULL：在释放内存后，将指针设置为NULL。

free(p);
p = NULL;

避免返回局部变量的指针：不要返回局部变量的指针，因为它们在函数返回后将超出作用域。

int* incorrect_function() {
    int x = 42;
    return &x; // 返回局部变量的指针，错误
}

野指针

定义

野指针是一个未初始化的指针，它的值是未知的，可能指向任意内存地址。当我们试图通过这样的指针访问或操作内存时，可能会导致未定义行为。

#include <stdio.h>

void wild_pointer_example() {
    int *p; // 未初始化的指针
    // *p = 42; // 不安全，可能导致崩溃或未定义行为
}

int main() {
    wild_pointer_example();
    return 0;
}

解决方法

在声明指针时初始化：声明指针时将其初始化为NULL或有效地址。

int *p = NULL;

确保在使用前分配内存：在使用指针之前，确保它已经被正确初始化和分配内存。

int *p = (int *)malloc(sizeof(int));
if (p != NULL) {
    *p = 42;
}