C语言（Head First C）-2_1：存储器和指针

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2 存储器和指针：指向何方？

 

 要理解C语言，就需要理解C语言是如何操作存储器的；

 C语言可以使用存储器赋予你更多的掌控权；

 

 C代码包含指针：

 指针就是存储器中某条数据的地址；

 

 之所以使用指针是因为：

 1）在函数调用时，可以只传递一个指针，而不用传递整份数据；（他会告诉你函数所在地址）

 2）让两段代码处理同一条数据，而不是处理两份独立的副本；

 

 指针做了两件事：避免重复和共享数据；

 指针只是地址，而且是一种间接形式的地址；

 

 深入挖掘存储器：

 每当声明一个变量，计算机都会在存储器中某个地方为它创建空间；

 -如果在函数中声明变量，会保存到一个叫栈（Stack）的存储器区段中；

 -如果在函数以外的地方声明变量，计算机则会把他保存到存储器的全局量段（Globals）；

 

 我们可以将存储器分成若干区段：

 -栈；

 -堆；

 -全局量；

 -常量段；

 -代码段；

 

 之所以局部变量保存在栈里，全局变量保存在其他地方，是因为二者的用法不同：你永远只能得到一份全局变量，但如果写了一个调用自己的函数，就会得到同一个局部变量的很多个实例；

 其他区域后续会介绍；

 

 int x = 4；//计算机可能将栈中4100000号存储器单元分配给变量x，把4赋给x的话，计算机就会把4保存在4100000号单元；

 可以使用&运算符（也叫取地址符）找出变量的存储器地址；

 （Code2_1）

/* * 指针 存储器 */#include <stdio.h>int main() {        int x = 4;    printf("x保存在%p\n",&x);        return 0;}

 log：x保存在0x7fff5eecdaa8

 我们看到：

 -使用%p格式化地址（16进制）；

 

 变量的地址告诉你去哪里找存储器中的变量，这就是为什么地址有时叫指针，因为他指向了存储器中的变量；

 重复下：

 -在函数中声明的变量通常保存在栈中；

 -在函数外声明的变量保存在全局量区；

 

 和指针起航：

 比如一个航海游戏，游戏中玩家需要控制船的方向；当然还需要控制很多东西；可以通过创建很多函数避免吧游戏写成一段很长的代码；

 每个函数完成一个小功能；

 

 示例：向东南航行

 （Code2_2）

/* * 航海游戏举例 */#include <stdio.h>/* 向指定方向航行：如向东南，则纬度将减少，经度将增加 * 经度参数，纬度参数 * 接收参数，进行加减 */void go_south_east(int lat,int lon) {    lat = lat - 1;    lon = lon + 1;}int main() {        int latitude = 32;    int longitude = -64;        go_south_east(latitude , longitude);        printf("当前位置：【%i，%i】\n",latitude,longitude);        return 0;}

 log:当前位置：【32，-64】

 

 这段代码没有按照我们预想的运行，船停在了原来的位置，为什么呢？

 

 C语言按值传递参数：

 C语言调用函数的方式是导致这段代码不能正确工作的原因；参数传递过程，是个赋值给lon值的过程，在调用函数时，传递的不是变量，而是变量的值；

 修改的lon只是，修改了本地的副本；

 

 如果用指针，就好办多了……

 

 传递指向变量的指针：

 通过指针（地址）不仅能找到原变量latitude的当前值，还能够修改该变量中的内容；

 函数所需要的就是读取和更新存储器相应单元中的内容；

 （Code2_3）

/* * 航海游戏举例 */#include <stdio.h>/* 向指定方向航行：如向东南，则纬度将减少，经度将增加 * 经度参数，纬度参数 * 接收参数，进行加减 */void go_south_east(int * lat,int * lon) {    *lat = *lat - 1;    *lon = *lon + 1;}int main() {        int latitude = 32;    int longitude = -64;        go_south_east(&latitude , &longitude);        printf("当前位置：【%i，%i】\n",latitude,longitude);        return 0;}

 log：当前位置：【31，-63】

 

 指针让存储器易于共享：

 使用指针的一个原因就是让函数共享存储器；只要知道数据在存储器中的位置，一个函数就可以修改另一个函数中的数据；

 

 使用存储器指针：

 使用存储器指针，我们需要知道三件事：

 1）得到变量的指针：

 用&运算符获取变量地址，一旦得到变量地址，就需要吧它保存在某个地方，因此，需要指针变量；

 指针变量是一个用来保存存储器地址的变量；声明时，需要说明指针所指向的地址中保存的数据的类型；

 int * address_of_x = &x;//该指针变量保存了一个地址，这个地址中保存的是一个int型变量；

 2）读取地址中的内容：

 使用*运算符，读取地址中的内容；

 int value_stored = *address_of_x;

 &运算符接受一个数据，得到数据存储的地址；

 *运算符接收一个地址，得到地址中保存的数据；

 指针有时也叫引用（C++中引用表示的是不同的概念），所以*运算符也可以描绘成对指针进行解引用；

 3）改变地址中的内容：

 又一个指针变量，想修改其中内容，可再次使用*运算符，只不过需要把指针变量放在赋值运算符的左边；

 *address_of_x = 99；

 

 可以回顾一下上一段代码示例；

 

 要点：

 -计算机会为变量在存储器中分配空间；

 -局部变量位于栈中；

 -全局变量位于全局量段；

 -指针只是一个保存存储器地址的变量；

 -&运算符可以找到变量的地址；

 -*运算符可以读取存储器中的内容；

 -*运算符还可以设置存储器地址中的内容；

 

 指针是进程存储器中真实编号的地址；计算机会为每个进程分配一个简版存储器，看起来就像是一长串字节；实际上很复杂的，但细节对进程隐藏起来了，这样操作系统就可以在存储器中移动进程，或释放并重新加载到其他位置；物理存储器结构很复杂，计算机通常会将存储器地址分组映射到存储芯片的不同的存储体（memory bank）；

 

 怎么把字符串传给函数？

 字符串是字符数组，我们可以尝试这样做：

 （Code2_4）

/* * 传递字符串 */#include <stdio.h>void fortune_cookie(char msg[]){    printf("Msg:%s\n",msg);    printf("msg:%lu bytes\n",sizeof(msg));//msg:8 bytes}int main() {        char quote[] = "Flower comes always with you!";//quote:30 bytes 多的一个是\0    printf("quote:%lu bytes\n",sizeof(quote));        fortune_cookie(quote);        return 0;}

 log:Msg:Flower comes always with you!

 

 其中参数msg定义为数组，不知道长度，看似简单，但有奇怪的事发生了……

 log:quote:30 bytes //多的一个是\0

 log:msg:8 bytes

 

 sizeof运算符：

 C中又一个叫sizeof的运算符，他能告知某样东西在存储器中的字节，可作用于数据类型或某条数据；

 

 程序并没有返回字符串总长，而是返回了4或8个字节，看起来像是传进来之后的字符串比实际的要短？

 这是因为。。。

 数组变量好比指针：

 创建一个数组之后，数组变量就可以当做指针使用，它指向数组在存储器中的起始地址，即quote变量代表字符串中第一个字符的地址；

 计算机会为字符串的每一个字符以及结束字符\0在栈上分配空间，并把首字符的地址和quote变量关联起来；其实数组变量就好比一个指针；

 quote虽然是数组，但可以当指针变量来用；

 

 这就是函数调用时发生奇怪的事的原因：看起来把字符串传给了fortune_cookie()函数，但实际上只穿了一个指向字符串的指针；

 8字节表示的是指针的大小；（在64位系统上占8字节）；

 

 要点：

 -数组变量可以被用作指针；

 -数组变量指向数组中第一个元素；

 -如果函数参数声明为数组，他会被当做指针使用；

 -sizeof运算符返回某条数据占用空间的大小；

 -也可以对某种数据类型使用sizeof，如sizeof（int）；

 -sizeof（指针）在32位系统上返回4，在64位系统上返回8；

 

 sizeof是运算符，不是函数，编译器会把运算符编译为一串指令；而调用的函数的话，会跳到一段独立的代码中执行；

 编译器可以在编译期间确定存储空间的大小；

 

 指针变量只不过是一个存储数字的变量；可以用&运算符找到他的地址；

 

 数组变量和指针：

 

 我们再来看一个示例：

 （Code2_5）

/* * 非诚勿扰 */#include <stdio.h>int main() {        int contestants[] = {1,2,3};//注意是大括号        int * choice = contestants;    contestants[0] = 2;    contestants[1] = contestants[2];    contestants[2] = *choice;        printf("1:%i\n",contestants[0]);    printf("2:%i\n",contestants[1]);    printf("3:%i\n",contestants[2]);        return 0;}

 log:

     1:2    //赋值2

     2:3    //赋值3

     3:2    //赋值2

 和我们预想的一样是不是；

 

 需要注意的是：

 数组变量与指针又不完全相同：虽然可以将数组变量用作指针，但还是有区别；

 看这段代码：

 char s[] = "flower";

 char * t = s;

 

 1）sizeof（数组）是……数组的大小：

 （sizeof（指针）是操作系统上指针的大小）

 2）数组的地址……是数组的地址：

 指针变量是一个用来保存存储器地址的变量；

 &s == s；//对数组变量使用&，结果是数组变量本身（的地址）；

 &t != t; //指针变量t的地址；和指针变量t不是一个东西；

 3）数组变量不能指向其他地方：

 创建数组时，会为数组分配存储空间，但不会为数组变量分配空间；所以不能把它指向其他地方；

 s = t；//会报错

 

 指针退化：

 正是因为有了这些区别，所以把数组赋值给指针时需要小心；将数组赋值给指针变量，指针变量只会包含数组的地址信息，而对数组的长度一无所知；相当于指针丢失了一些信息；

 我们把这种信息丢失成为退化；

 只要把数组传递给函数，数组免不了退化为指针；

 

 为什么数组从0开始？

 数组变量可以用作指针，这个指针指向数组的第一个元素；也就是说有两种方式读取数组第一个元素， array[0] == *array;

 地址只是一个数字，所以可以进行指针算数运算，如 找到存储器中的下一个地址，可以增加指针的值；同样对应两种方式：既可以用方括号加上索引值（如2）来读取元素，也可以对第一个元素的地址加上相应的值（如2）；

 array[2] == *(array + 2);//+2表示加二个指针类型地址空间之后的地址单元，存储器地址加2*数组元素所占的字节数；

 这也解释了数组为什么要从索引0开始，所谓索引，其实就是为了找到元素的地址单元，指针需要加上的那个数字；

 

 来看一段代码示例：

 （Code2_6）

/* * 跳过字符串中的一段字符继续输出 * 从第七个字符开始输出 */#include <stdio.h>void skip(char * msg) {    puts(msg + 6);}int main() {        char * msg_any = "LoveFlower";    skip(msg_any);    return 0;}

 log:ower

 第七个字符，对应的数组下标为6；

 

 为什么指针有类型？

 举个例子，对char指针+1，指针指向存储器中下一个地址，那是因为char就占1字节；而int占4字节，如果int指针+1，编译后的代码会对存储器地址加4；

 （Code2_7）

/* * address+1 */#include <stdio.h>int main() {        int nums[] = {1,2,3};    printf("nums的地址是%p\n",nums);    printf("nums+1的地址是%p\n",nums + 1);        printf("1-%i\n",nums[2]);    printf("2-%i\n",*(nums + 2));    printf("3-%i\n",*(2 + nums));    printf("4-%i\n",2[nums]);        return 0;}

 log:

 nums的地址是0x7fff53ce9a9c

 nums+1的地址是0x7fff53ce9aa0

 1-3

 2-3

 3-3

 4-3

 

 我们发现log的两个地址像差4个字节，指针之所以有类型，是因为编译器在指针算术运算时需要知道加几；

 与此同时，我们也看到了几种读取数组元素的方法，他们都是等价的；（3[nums]的写法好特殊）

 

 要点：

 -数组变量可以用作指针……，但又不完全相同；

 -对数组变量和指针变量使用sizeof，效果不同；

 -数组变量不能指向其他地方；

 -把数字变量传给指针，会发生退化；

 -索引的本质是 指针算术运算符，所以数组从零开始；

 指针变量具有类型，这样就能调整整数指针算数运算；

 

 指针算术运算时的减法，使用时别要越过数组的起点；在编译器生成可执行文件时，编译器会根据变量的类型，用变量的大小乘以指针的增量或减量；

 

 用指针输入数据：

 1）使用scanf（）函数可以让用户从键盘输入字符串：

 如：char name[40];scanf("%39s",name);

 scanf总共会读取39个字符，以及字符串终结符\0;

 2）使用scanf（）函数输入数字：

 int age；scanf("%i",&age);//把变量的地址传入函数，scanf（）便可以更新变量的内容；

 

 scanf（）允许传递格式字符串，甚至可以用scanf（）一次输入多条数据；

 如：scanf("%19s %19s",first_name,last_name);//注意输入时以空格分割，是所以用%19s，也是为了防止数组越界；