聊聊C語言和指標的本質

坐著綠皮車上海到杭州，24塊錢，很寬敞，在火車上非正式地聊幾句。

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很多程式語言都以 “沒有指標” 作為自己的優勢來宣傳，然而，對於C語言，指標卻是與生俱來的。

那麼，什麼是指標，為什麼大家都想避開指標。

很簡單， 指標就是地址，當一個地址作為一個變數存在時，它就被叫做指標，該變數的型別，自然就是指標型別。

指標的作用就是，給出一個指標，取出該指標指向地址處的值。為了理解本質，我們從計算機模型說起。

巨集觀看來，計算機可以分為兩類：

1. 儲存-執行計算機。
   這類機器典型的例子就是我們平時使用的計算機，有一個CPU，有一個記憶體，CPU僅包含運算邏輯，所有的指令和資料都在記憶體中，記憶體僅供儲存，不包含任何運算元件。
2. 現場程式設計計算機。
   這類機器的典型例子就是ASCI電路，FPGA這種。直接針對特定的需求構建邏輯電路，然而，由於存在笛卡爾積的問題，不太適合通用計算。

我們看我們平時使用的儲存-執行模型的計算機工作模式：

• CPU在地址匯流排上發射一個地址到記憶體。
• 記憶體把特定地址對應的資料返回到資料匯流排。

看起來，通用計算機就是通過指標完成所有工作的。CPU沒有能力直接操作記憶體裡的值，它必須做以下的操作以迂迴：

1. 從特定地址A0取出值V0。
2. 對V0進行加工運算生成V1。
3. 將V1存入特定地址A1。

太初，人們就是按照以上的這麼個邏輯程式設計的，這就是組合語言：

mov    -0x4c(%rbp),%ebx

然而，這樣太麻煩了，C語言隨著簡單通用的UNIX作業系統而生，下面的語句看起來更加方便：

int a = 10;
char *p = &a;
*p = 13;

C語言直接對映了CPU的工作方式，而且是用極其簡單的方式，這就是C語言的藝術。

這就是C指標的背景。在那個年代，人們還沒有渴望計算機幫助完成更復雜的業務邏輯，人們只是希望用一種更加簡單的方式抽象出計算機的行為，最終的結晶，就是C語言。

於是，我們說，C語言的精華就是指標，指標是C語言的一切。我們可以沒有if-else語言，我們可以沒有switch-case語句，我們可以不要while，我們不要for，但我們必須有指標。

是的，我們可以用指標函式的狀態矩陣代替if-else之類：

int (*routine)[...]();
...
condition = calc(...);
routine[condition](argv);

我們用狀態矩陣成功規避了if-else…可以看到，還是用的指標。

…

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指標是儲存-執行模型的計算機工作的必要條件！

我們再看儲存-執行模型的計算機的工作方式：

• 給定一個地址，CPU就可以取出該地址的資料。
• 給定一個地址，CPU就可以寫入該地址一個值。

這意味著什麼？

只要想讓CPU正常工作，就必須暴露整個記憶體地址空間給CPU，否則CPU就是一堆毫無用處的閘電路，換句話說， 一切來自記憶體！ 操作記憶體就必然要用指標！

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其實，C語言就是簡化版的組合語言。最終，C語言接力彙編用指標創造了世界。

不管怎麼樣，C語言是面向計算機的程式語言，而不是面向業務的程式語言，它對映了計算機的工作方式而不太善於描述業務邏輯，因此，C語言深受黑客，程式設計手藝人這種計算機本身的愛好者喜愛，卻不被業務程式設計師待見，因為擺弄指標確實太繁瑣複雜了，一不小心就會出錯。

儲存-執行模型的問題在於，要設計複雜的帶外機制防止記憶體被任意訪問，由此而來的就是複雜的分段，分頁，訪問控制，MMU等機制，當然，這些機制和CPU依靠指標訪問記憶體的工作方式並不衝突。

把C語言指標用的最絕的應該就是Linux核心的嵌入式連結串列 struct list_head 了：

struct list_head {
	struct list_head *next, *prev;
};

它可以代表一切，它通過C指標完美詮釋了OOD，list_head是世界的基類！

通過container_of巨集，list_head可以轉換為任意物件：

/**
 * container_of - cast a member of a structure out to the containing structure
 * @ptr:        the pointer to the member.
 * @type:       the type of the container struct this is embedded in.
 * @member:     the name of the member within the struct.
 *
 */
#define container_of(ptr, type, member) ({                              \
        void *__mptr = (void *)(ptr);                                   \
        BUILD_BUG_ON_MSG(!__same_type(*(ptr), ((type *)0)->member) &&   \
                         !__same_type(*(ptr), void),                    \
                         "pointer type mismatch in container_of()");    \
        ((type *)(__mptr - offsetof(type, member))); })

這個轉換背後的依賴，正是指標：

然而，C語言依然對業務程式設計不友好，前面說了，C語言對映的就是計算機工作方式本身，若想用好C語言，就必須要懂計算機原理，這並不是業務程式設計師的菜，業務程式設計師只是編寫業務邏輯，並不在乎計算機是如何工作的。

曾經，計算機還是一群痴迷於技術本身的極客們的玩具，計算機是屬於他們的，他們用C程式設計，用Perl/Python/Bash粘合二進位制程式。進入網際網路時代，隨著越來越複雜的業務邏輯出現，越來越多的職業程式設計師開始成了多數派，他們開始使用更加業務友好的語言，Java，Go便成功了。

不能說這些業務程式語言沒有指標，只是它們隱藏了指標而已，它們對程式設計師暴露了更加對業務友好的程式設計介面和語法，自己在底層處理指標問題，僅此而已。指標是客觀存在的，只要你使用的是儲存-執行模型的計算機，指標就是一切。

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浙江溫州皮鞋溼，下雨進水不會胖。