指针篇（1）- 结合计算机组成原理来说指针

正文

本来指针写了一些，但总感觉一直写不清楚，这几天就去网上看了一个老师对指针的讲解，这个老师是结合计算机组成原理讲的，不得不说讲得非常牛逼啊，我也是把课看完，进行了大改，顺便还学了些计算机原理的知识，希望大家能够喜欢。

一、内存和地址

1.1 内存

在内存这里，我们拿一个生活中的例子说，假设你在一个公寓楼里住着，楼上有100个房间，但是房间没有编号，这时候你的一个朋友来找你玩，为了找到你，就要挨个房间去找，这样效率很低，但是如果我们如果给每个房间编上编号，你的朋友就可以快速找到你所在的房间了。

这里反映到计算机里： 我们知道计算机上CPU（中央处理器）在处理数据的时候，需要的数据是在内存中读取的，处理后的数据也会再写入内存中，我们在买电脑的时候，电脑上内存是8GB/16GB/32GB等，那这么大的内存空间如何高效管理呢？

其实也是把内存划分为一个个的内存单元，每个内存单元的大小取一个字节。

计算机中常见的单位：

bit - 比特位
Byte - 字节    1Byte = 8bit
KB             1KB = 1024Byte
MB             1MB = 1024KB
GB             1GB = 1024MB
TB             1TB = 1024GB
PB             1PB = 1024TB

一个比特位可以存储一个2进制的位1或者0

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绿色的区域就是一个内存块，要使用就划分为一个个字节，一个字节也称为一个内存单元，其中，每个内存单元，相当于一个学生宿舍，一个字节空间里面能放8个比特位，就好比学生所住的8人间，每个人就是一个比特位。

每个内存单元也都有一个编号（这个编号就相当于宿舍房间的门牌号，即图片中的16进制数），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也叫地址，在计算机中我们把内存单元的编号也称为地址。C语言/C++中给地址起了新的名字：指针。

所以我们可以理解为： 内存单元的编号== 地址==指针

1.2 究竟该如何理解编址

计算机的许多硬件单元是要互相协同才能工作的，所谓的协同，至少互相之间要进行数据传递。这些硬件与硬件之间的通信就是靠“线”连接起来。

在这里插入图片描述

而CPU和内存之间也是有大量的数据交互的，所以两者也必须用线连起来，如下图：

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比如说CPU读取数据的时候，首先控制总线发出Read信号，这时候告诉它一个地址0x0012ff40（胡写的地址），地址（化为二进制序列）通过地址总线传达给内存，假如就去图中红色块这里读取数据，然后通过地址找到了对应的空间，里面是20。（传的二进制序列与线上的数字一一对应），找到20后便通过数据总线传给CPU。

写数据也是一样的，先由控制总线发出一个写信号Write，这里写的位置也要给一个地址（0x0018ff36），依然要通过地址总线，把地址传过去，这个地址很快在内存中定位了一个空间，比如说图中的绿色方块，这里要写一个100进去，100便通过数据总线传过去放到内存中的空间里去。

这里我们再重点说地址总线。CPU访问内存中的某个字节空间，必须知道这个字节空间在内存中的什么位置，而因为内存中字节很多，所以需要给内存进行编址（就如同宿舍很多，需要给宿舍编号一样）。

计算机中的编址，并不是把每个字节的地址记录下来（因为记录也需要申请空间），而是通过硬件设计来完成，即内存单元的编号都是固定好的，这里怎么理解呢？

钢琴、吉他上面没有写上“剁、来、咪、发、唆、拉、西”这样的信息，但演奏者照样能够准确找到每一个琴弦的每一个位置，这是为何？因为制造商已经在乐器硬件层面上设计好了，并且所有演奏者都知道，本质上是一种约定出来的共识。

硬件编址也是如此

可以简单理解，32位机器有32根地址总线，每根线只有两态，表示0，1（电脉冲有无），那么一根线，就能表示两种含义，两根线就能表示4种含义，这里这样理解

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依次类推，32根地址线，就能表示2的32次方种含义，每一种含义都代表一个地址，64位电脑地址总线64根与之对应。

所以想访问某个内存单元时，地址信息被下达给内存，在内存上，就可以找到该地址对应的数据，将数据再通过数据总线传入CPU内寄存器。

二、指针变量和地址

2.1 取地址操作符（&）

首先要理解，在C语言中变量创建的本质是在内存中申请一块空间，用来存放数据

int main()
{
	int a = 10;
	return 0;
}

向内存申请4个字节的空间，用来存储10 空间的名字叫a，这个a名字不是给编译器、计算机看的，而是给程序员自己看的。怎么体现这句话呢，可以转到反汇编代码来看

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只有这里还有a 再右键取消符号名

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直接连a都没有了

0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010 - 10的二进制序列
0x 0  0    0    0    0    0    0   a - 10的十六进制序列
0x 00 00 00 0a

10写成16进制，4个二进制位就写一个0，最后一行是4个字节的写法，一个字节8个bite位

这里打开内存来看，在地址栏那里输入&a：取出a的地址

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红色方框便是a的地址对应的4个字节，左边及地址栏内便是a的地址，可以看出这4个字节数在红框内是倒着放的。

而且这4个字节其实都是有地址的，内存里换成一个字节显示就可以看到了：

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可以看出地址的存放是由小到大存放的，所以仅管整型变量占用4个字节，我们只要知道了第一个字节地址，顺藤摸瓜访问到4个字节的数据也是可以的。

2.2 指针变量和解引用操作符（*）

2.2.1 指针变量

再通过取地址操作符（&）拿到的地址是一个数值，比如：0x006FFD70，这个数值有时候也需要存储起来，方便后期再使用，这样的地址值是存放再指针变量（存放指针的变量）中的。 比如：

int main()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;//取出a的地址并存储在指针变量p中

	return 0;
}

指针变量（p）也是一种变量，这种变量就是用来存放地址的，存放在指针变量中的值都会理解为地址。

2.2.2 如何拆解指针类型

这里可以看到p的类型是int*，我们如何理解指针的类型呢？

int a = 10;
int* p = &a;

这里p左边的int*，*是在说明p是指针变量，而前面的int是说明p指向的是整型（int）类型的对象a

那如果有一个char类型的变量ch，ch的地址，要放在什么类型的指针变量中呢？

char ch ='w';
char* pc =&ch;

2.2.3 解引用操作符

将地址保存起来，未来肯定是要使用的，那要怎么使用呢？ 在现实生活中，我们使用地址找到一个房间，在房间里可以拿去或存放物品。 C语言中其实是一样的，我们只要拿到了地址（指针），就可以通过地址（指针）找到地址（指针）指向的对象，这里就必须认识一个操作符叫解引用操作符（ * ）。

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上面代码的第7行就是用了解引用操作符，* p的意思是通过p中存放的地址，找到指定的空间，* p其实就是a变量了，所以* p=0这个操作符是把a改成了0。

有兄弟就说了，这里直接写a=0，岂不是更方便，为什么要用指针呢？其实这里是把a的修改交给了p来操作，这样对a的修改就多了一种途径，写代码会更灵活。

2.3 指针变量的大小

int a = 10;
int* p = &a;

对于这串代码有的兄弟可能会好奇，既然p是指针变量，指针变量也是变量，也是需要向内存申请空间的 那么p这个指针变量大小是多少？要向内存申请多大空间呢？

根据前面可以知道，32位机器假设有32根地址总线，每根地址线出来的电信号转换成数字信号后是1或者0，那我们把32根地址线产生的2进制当成一个地址，那么一个地址就是32个bit位，需要4个字节才能存储。

如果指针变量是用来存放地址的，那么指针变量的大小就要是4个字节空间才可以。

同理64位机器，假设有64根地址线，一个地址就是64个二进制位组成的二进制序列，存储起来就需要8个字节的空间，指针变量的大小就是8个字节。

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总结来说：

• 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
• 指针变量大小和类型无关，只要指针类型的变量，在相同平台下，大小都是相同的。

三、指针变量类型的意义

这里有人就要说了，既然指针变量的大小和类型无关，只要是指针变量，在同一平台下，大小都是一样的，为什么还要各种各样的指针类型呢？

3.1 指针的解引用

解释这里之前先看这串代码

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正如图中注释所说，变量a的四个字节被占满了，这里如果我们* pa=0，相当于把a变为0，再看a在内存中的变化

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先不着急说，对比另一串代码来看：

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通过调试结果来看，图1会将pa的4个字节全部改为0，但是图2只是将pa的第一个字节改为0。

结论：指针的类型决定了，对指针解引用的时候有多大的权限（一次能够操作几个字节）。 比如：char * 的指针解引用就只能访问一个字节，而int *的指针的解引用就能访问4个字节。

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这里如果使用double型指针

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这时候 * pd=0解引用回访问一个double类型的变量，一下需要访问8个字节，这里一共才4个字节，就会越界访问，访问到后面，如上图，这时候就会非法访问内存，程序可能会崩溃。

3.2 指针±整数

先看一段代码，调试观察地址变化

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我们可以看出，char *类型的指针变量+1跳过一个字节，int *类型的指针变量+1跳过了4个字节。这就是指针变量的类型差异带来的变化。指针+1，其实跳过1个指针指向的元素，指针既然可以+1，那也可以-1。 结论：指针的类型决定了指针向前或者向后一步有多大（距离）。

3.3 void *指针

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这个代码里，将一个int类型的变量的地址赋值给一个char *类型的指针变量。编译器会给出一个警告，这是因为指针类型不匹配，而使用void *类型就不会有这样的问题。

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这里我们可以看出，void *类型的指针可以接收不同类型的地址，但是无法直接进行指针运算。

简而言之：void *可以存，但不能随便用，使用时可以将其转换为需要的类型（强制类型转换），所以一般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，这样的涉及可以实现泛型编程的效果。

四、指针运算

指针的基本运算有三种，分别是：

• 指针±整数
• 指针-指针
• 指针的关系运算

4.1 指针±整数

我们知道，数组在内存中是连续存放的，只要知道第一个元素的地址，就可以顺藤摸瓜找到后面的所有元素。

int arr[10]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};

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想打印该数字的10个元素，不使用指针是这样写的：

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加入指针之后，就可以这样：

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稍作解释，打印的时候需要把1拿出来，即* p，p++使得int *p往后走一步，因为是整型指针，所以跳过一个整型，到了2这里，就这样循环往复，配合下图来看

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还有第二种写法：

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例如：p+0产生的为下标为0元素的地址，循环往复以此类推，如下图

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p+i就是数组中下标为i的元素的地址，+i也可以理解为跳过i个元素，正好指向下标为i这个元素 找到对应元素的地址后，要访问里面的元素，解引用就可。

倒着打印，就先拿到最后一个元素的地址：

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也可以使用第一种写法

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还有兄弟问了，这里打印字符串OK不OK？当然是OK的 不用指针是这样打印的，这样在逻辑上就是一次性全打印出来

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加入指针后：

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这串代码在逻辑上就是一个字符一个字符打印的，依旧是拿到该数组的第一个元素的地址，不是\0就打印，是就停下来。

因为\0的ASCII是0，其他字符的ASCII不是0，所以循环里的判断条件还可以这样写：

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4.2 指针-指针

|指针-指针|：得到的是两个指针之间的元素个数 用一串代码来体现一下这句话：

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可以看到这里系统报错了，原因是相减的结果超出整型范围了，换用%lld就好

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可以看出，这两个地址相减的结果是9。

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起始地址是右边箭头

我们可以知道，数组随着下标的增长，地址是由低向高变化的

&arr[0] + 9 == &arr[9]
&arr[0] - &arr[9] == -9
9 == &arr[9] - &arr[0]

可以看出下标为0的元素的地址+9就是下标为9的元素的地址 也可以这里+9是跳过9个元素之后下标为9的地址

就与下面的这个关系类似了 日期 - 日期 = 天数 日期 + 天数 = 日期 日期 - 天数 = 日期

这里我们再写一个程序，程序中的函数作用是求一个字符串的长度 在不用指针之前我们用strlen库函数来达到这个目的：

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使用指针后

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这些都是用指针±整数写的，我们再使用指针-指针去实现这样的逻辑

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当循环停下来的时候，p指向图中的两个位置

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这两个指针相减得到的便是中间元素的个数了。

4.3 指针的关系运算

地址是有大小的，地址是个数值，有大小就可以比较大小

这里arr+sz是个地址，arr是首元素地址，sz表示跳过sz个元素，p不断+1，找边界在哪，当p=p+10的时候，就超过了数组的边界了。附加下图理解：

总结

这就是结合计算机组成原理所写的指针内容了，这些只是指针的冰山一角，不得不说这里确实有些费劲，我写着写着有时候也会发懵，应该还是相关的练习太少了，如果觉得作者文章内容好的话不要忘记一键三连给予支持哦~