一直覺得C語言較其他語言最偉大的地方就是C語言中的指針，有些人認為指針很簡單，而有些人認為指針很難，當然這里的對簡單和難并不是等價于對指針的理解程度。為此在這里對C語言中的指針進行全面的總結(jié)，從底層的內(nèi)存分析，徹底讓大家明白指針的本質(zhì)。建議大家靜下心來再復(fù)習一遍。

一、指針變量

首先要明白指針是一個變量，為此寫了如下代碼來驗證之：

運行后可以看到a的值被更改了，上面的例子可以清楚的明白指針實質(zhì)上是一個放置變量地址的特殊變量，其本質(zhì)仍然是變量。既然指針是變量，那必然會有變量類型，因此這里必須對變量類型做解釋。在C語言中，所有的變量都有變量類型，整型、浮現(xiàn)型、字符型、指針類型、結(jié)構(gòu)體、聯(lián)合體、枚舉等，這些都是變量類型。變量類型的出現(xiàn)是內(nèi)存管理的必然結(jié)果，相信讀者知道，所有的變量都是保存在計算機的內(nèi)存中，既然是放到計算機的內(nèi)存中，那必然會占用一定的空間。問題來了，一個變量會占用多少空間呢，或者說應(yīng)該分出多少內(nèi)存空間來放置該變量呢？為了規(guī)定這個，類型由此誕生了，對于32位編譯器來說，int類型占用4個字節(jié)，即32位，long類型占用8字節(jié)，即64位。這里簡單說了類型主要是為后面引出指針這個特殊性，在計算機中，將要運行的程序都保存在內(nèi)存中，所有的程序中的變量其實就是對內(nèi)存的操作。計算機的內(nèi)存結(jié)構(gòu)較為簡單，這里不詳細談?wù)搩?nèi)存的物理結(jié)構(gòu)，只談?wù)搩?nèi)存模型。將計算機的內(nèi)存可以想象為一個房子，房子里面居住著人，每一個房間對應(yīng)著計算機的內(nèi)存地址，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)就相當于房子里的人。

既然指針也是一個變量，那個指針也應(yīng)該被存放在內(nèi)存中，對于32位編譯器來說，其尋址空間為2^32=4GB，為了能夠都操作所有內(nèi)存（實際上普通用戶不可能操作所有內(nèi)存），指針變量存放也要用32位數(shù)即4個字節(jié)。
這樣就有指針的地址&p，指針和變量的關(guān)系可以用如下圖表示：

從上圖可以看到&p是指針的地址，用來存放指針p，而指針p來存放變量a的地址，也就是&a，還有一個*p在C語言中是解引，意思是告訴編譯器取出該地址存放的內(nèi)容。

上面提到過關(guān)于指針類型的問題，針對32位編譯器而言，既然任何指針都只占用4個字節(jié)，那為何還需要引入指針類型呢？僅僅是為了約束相同類型的變量么？實際上這里不得不提到指針操作，先思考如下兩個操作：

上面兩個操作的意思是不同的，先說下第一種：p+1操作，如下圖所示：

對于不同類型指針而言，其 p+1 所指向的地址不同，這個遞增取決于指針類型所占的內(nèi)存大小，而對于 ((unsigned int)p)+1。該意思是將地址 p 所指向的地址的值直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字，然后 +1 ，這樣無論 p 是何種類型的指針，其結(jié)果都是指針所指的地址后一個地址。從上述可以看到，指針的存在使得程序員可以相當輕松的操作內(nèi)存，這也使得當前有些人認為指針相當危險，這一觀點表現(xiàn)在 C# 和 Java 語言中，然而實際上用好指針可以極大的提高效率。
下面深入一點來通過指針對內(nèi)存進行操作，現(xiàn)在我們需要對內(nèi)存6422216中填入一個數(shù)據(jù)125，我們可以如下操作：

當然，上面的代碼使用了一個指針，實際上C語言中可以直接利用解引操作對內(nèi)存進行更方便的賦值，下面說下解引操作*。

二、解引用

所謂解引操作，實際上是對一個地址操作，比如現(xiàn)在想將變量a進行賦值，一般操作是a=125，現(xiàn)在我們用解引操作來完成，操作如下：

上面可以看到解引操作符為*，這個操作符對于指針有兩個不同的意義，當在申明的時候是申明一個指針，而當在使用p指針時是解引操作，解引操作右邊是一個地址，這樣解引操作的意思就是該地址內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。這樣我們對內(nèi)存6422216中填入一個數(shù)據(jù)125就可以使用如下操作：

上面需要將6422216數(shù)值強制轉(zhuǎn)換為一個地址，這個是告訴編譯器該數(shù)值是一個地址。值得注意的是上面的所有內(nèi)存地址不能隨便指定，必須是計算機已經(jīng)分配的內(nèi)存，否則計算機會認為指針越界而被操作系統(tǒng)殺死即程序提前終止。

三、結(jié)構(gòu)體指針

結(jié)構(gòu)體指針和普通變量指針一樣，結(jié)構(gòu)體指針只占4個字節(jié)（32位編譯器）,只不過結(jié)構(gòu)體指針可以很容易的訪問結(jié)構(gòu)體類型中的任何成員，這就是指針的成員運算符->。

上圖中p是一個結(jié)構(gòu)體指針，p指向的是一個結(jié)構(gòu)體的首地址，而p->a可以用來訪問結(jié)構(gòu)體中的成員a，當然p->a和*(p)是相同的。

四、強制類型轉(zhuǎn)換

為何要在這里提強制類型轉(zhuǎn)換呢，上面的測試代碼可以看到編譯器會報很多警告，意思是告訴程序員數(shù)據(jù)類型不匹配，雖然并不影響程序的正確運行，但是很多警告總會讓人感到難受。因此為了告訴編譯器代碼這里沒有問題，程序員可以使用強制類型轉(zhuǎn)換來將一段內(nèi)存轉(zhuǎn)換為需要的數(shù)據(jù)類型，例如下面有一個數(shù)組a，現(xiàn)在將其強制轉(zhuǎn)換為一個結(jié)構(gòu)體類型stu：

上面的程序運行結(jié)果如下：

可以看到a[100]被強制轉(zhuǎn)換為stu結(jié)構(gòu)體類型，當然不使用強制類型轉(zhuǎn)換也是可以的，只是編譯器會報警報。

上圖為程序的示意圖，圖中數(shù)組a[100]的前12個字節(jié)被強制轉(zhuǎn)換為了一個struct stu類型，上面僅對數(shù)組進行了說明，其它數(shù)據(jù)類型也是一樣的，本質(zhì)上都是一段內(nèi)存空間。

五、void指針

為何在這里單獨提到空指針類型呢？主要是因為該指針類型很特殊。
void類型很容易讓人想到是空的意思，但對于指針而言，其并不是指空，而是指不確定。
在很多時候指針在申明的時候可能并不知道是什么類型或者該指針指向的數(shù)據(jù)類型有多種再或者程序員僅僅是想通過一個指針來操作一段內(nèi)存空間。這個時候可以將指針申明為void類型。但是問題來了，由于void類型原因，對于確定的數(shù)據(jù)類型解引時，編譯器會根據(jù)類型所占的空間來解引相應(yīng)的數(shù)據(jù)，例如int p，那么p就會被編譯器解引為p指針的地址的4個字節(jié)的空間大小。
但對于空指針類型來說，編譯器如何知道其要解引的內(nèi)存大小呢？先看一段代碼：

編譯上面的程序會發(fā)現(xiàn)，編譯器報錯，無法正常編譯。

這說明編譯器確實是在解引時無法確定*p的大小，因此這里必須告訴編譯器p的類型或者*p的大小，如何告訴呢？很簡單，用強制類型轉(zhuǎn)換即可，如下：

這樣上面的程序就可以寫為如下：

編譯運行后：

可以看到結(jié)果確實是正確的，也和預(yù)期的想法一致。由于void指針沒有空間大小屬性，因此void指針也沒有++操作。

六、函數(shù)指針

6.1 函數(shù)指針使用

函數(shù)指針在Linux內(nèi)核中用的非常多，而且在設(shè)計操作系統(tǒng)的時候也會用到，因此這里將詳細講解函數(shù)指針。既然函數(shù)指針也是指針，那函數(shù)指針也占用4個字節(jié)（32位編譯器）。
下面以一個簡單的例子說明：

程序運行結(jié)果如下：

可以看到，函數(shù)指針的申明為：

函數(shù)指針的解引操作與普通的指針有點不一樣。對于普通的指針而言，解引只需要根據(jù)類型來取出數(shù)據(jù)即可，但函數(shù)指針是要調(diào)用一個函數(shù)，其解引不可能是將數(shù)據(jù)取出，實際上函數(shù)指針的解引本質(zhì)上是執(zhí)行函數(shù)的過程，只是這個執(zhí)行函數(shù)是使用的call指令并不是之前的函數(shù)，而是函數(shù)指針的值，即函數(shù)的地址。
其實執(zhí)行函數(shù)的過程本質(zhì)上也是利用call指令來調(diào)用函數(shù)的地址，因此函數(shù)指針本質(zhì)上就是保存函數(shù)執(zhí)行過程的首地址。函數(shù)指針的調(diào)用如下：

為了確認函數(shù)指針本質(zhì)上是傳遞給call指令一個函數(shù)的地址，下面用一個簡單例子說明：

上面是編譯后的匯編指令，可以看到，使用函數(shù)指針來調(diào)用函數(shù)時，其匯編指令多了如下：

分析：第一行mov指令將立即數(shù)0x4015c0賦值給寄存器esp+0xc的地址內(nèi)存中，然后將寄存器esp+0xc地址的值賦值給寄存器eax(累加器），然后調(diào)用call指令，此時pc指針將會指向add函數(shù)，而0x4015c0正好是函數(shù)add的首地址，這樣就完成了函數(shù)的調(diào)用。細心的讀者是否發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象，上述過程中函數(shù)指針的值和參數(shù)一樣是被放在棧幀中，這樣看起來就是一個參數(shù)傳遞的過程。因此可以看到，函數(shù)指針最終還是以參數(shù)傳遞的形式傳遞給被調(diào)用的函數(shù)，而這個傳遞的值正好是函數(shù)的首地址。從上面可以看到函數(shù)指針并不是和一般的指針一樣可以操作內(nèi)存，因此作者覺得函數(shù)指針可以看作是函數(shù)的引用申明。

6.2 函數(shù)指針應(yīng)用

在linux驅(qū)動面向?qū)ο?a target="_blank">編程思想中用的最多，利用函數(shù)指針來實現(xiàn)封裝，下面以一個簡單的例子說明：

#include

typedefstructTFT_DISPLAY
{
intpix_width;
intpix_height;
intcolor_width;
void(*init)(void);
void(*fill_screen)(intcolor);
void(*tft_test)(void);

}tft_display;

staticvoidinit(void)
{
printf("thedisplayisinitialed\n");
}

staticvoidfill_screen(intcolor)
{
printf("thedisplayscreenset0x%x\n",color);

}

tft_displaymydisplay=
{
.pix_width=320,
.pix_height=240,
.color_width=24,
.init=init,
.fill_screen=fill_screen,
};

intmain(intargc,char**argv)
{

mydisplay.init();
mydisplay.fill_screen(0xfff);
return0;
}

上面的例子將一個tft_display封裝成一個對象，上面的結(jié)構(gòu)體成員中最后一個沒有初始化，這在Linux中用的非常多。最常見的是file_operations結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體一般來說只需要初始化常見的函數(shù)，不需要全部初始化。
上面代碼中采用的結(jié)構(gòu)體初始化方式也是在Linux中最常用的一種方式，這種方式的好處在于無需按照結(jié)構(gòu)體的順序一對一。

6.3 回調(diào)函數(shù)

有時候會遇到這樣一種情況，當上層人員將一個功能交給下層程序員完成時，上層程序員和下層程序員同步工作，這個時候該功能函數(shù)并未完成，這個時候上層程序員可以定義一個API來交給下層程序員。而上層程序員只要關(guān)心該API就可以了而無需關(guān)心具體實現(xiàn)，具體實現(xiàn)交給下層程序員完成即可（這里的上層和下層程序員不指等級關(guān)系，而是項目的分工關(guān)系）。
這種情況下就會用到回調(diào)函數(shù)（Callback Function），現(xiàn)在假設(shè)程序員A需要一個FFT算法，這個時候程序員A將FFT算法交給程序員B來完成，現(xiàn)在來讓實現(xiàn)這個過程：

#include

intInputData[100]={0};
intOutputData[100]={0};

voidFFT_Function(int*inputData,int*outputData,intnum)
{
while(num--)
{

}
}

voidTaskA_CallBack(void(*fft)(int*,int*,int))
{

(*fft)(InputData,OutputData,100);
}

intmain(intargc,char**argv)
{

TaskA_CallBack(FFT_Function);
return0;
}

上面的代碼中TaskA_CallBack是回調(diào)函數(shù)，該函數(shù)的形參為一個函數(shù)指針，而FFT_Function是一個被調(diào)用函數(shù)。

可以看到回調(diào)函數(shù)中申明的函數(shù)指針必須和被調(diào)用函數(shù)的類型完全相同。

本文轉(zhuǎn)載自公眾號|芯片之家如有侵權(quán) |聯(lián)系刪除