搞清楚C語言指標

SD！LTF發表於2020-06-06
C語言指標

Part 0：為什麼要寫這篇文章

C語言中的指標是C語言的精髓，也是C語言的重難點之一。
然而，很少有教程能把指標講的初學者能聽懂，還不會引起歧義。
本文章會嘗試做到這一點，如有錯誤，請指出。

Part 1：地址和&

我們先拋開指標不談，來講一個小故事：

一天，小L準備去找小S玩。但是小L不知道小S的家住在哪裡，正當他著急的時候，他看到了一個路牌，上面寫著：小S的家在神仙小區403

哦，真的是要素過多。為什麼這麼說？

  1. 小L和小S：我們可以看做是兩個變數/常量。
  2. 小S的家：這裡可以看做是變數/常量小S的地址。
    我們要搞清楚，每個變數/常量都和我們一樣：我們每個人都有自己的家，正如變數也有自己的地址。通俗的理解，地址是給變數/常量來存放值的地點。
  3. 路牌：注意注意注意！這裡就指出了變數/常量小S的地址：神仙小區403
    事實上，我們等會會講，輸出一個變數的地址其實是個16進位制的數字。

搞懂了上面，我們再來聊聊&
&這個符號我們一個不陌生，你最初用到應該是在：scanf("%d",&a)裡邊。
&叫做取址符，用來獲取一個變數/常量的地址。
那麼我們為什麼要在scanf裡邊用&，不在printf裡邊用呢？
一開始我也很疑惑，後來我看到了這個例子：
你是一個新生，你要進教室。
但是你並不知道教室在哪裡，這個時候你需要教室的地址。
下課了，你要出教室。
由於你已經在教室裡了，你就不需要獲取教室的地址就可以出去了。

Part 2：一定要記住的東西

一定要記住：指標就是個變數！
重要的事情說三次：
指標就是個變數！他儲存的是地址！他自己也有地址！
指標就是個變數！他儲存的是地址！他自己也有地址！
指標就是個變數！他儲存的是地址！他自己也有地址！

為什麼這麼說？我們從指標的定義開始：

指標的定義方法：<型別名+*> [名稱]
也就是說，指標的定義大概是這樣的：

int* ip;            //型別是int*，名稱是ip
float* fp;          //型別是float*，名稱是fp
double* dp;         //型別是double*，名稱是dp

有的書上會這麼寫：

int *ip;
float *fp;
double *dp;

這麼寫當然沒問題，但是對於初學者來說，有兩個問題：

  1. 有的初學者會把*p當做是指標名
  2. 有的初學者會把定義時出現的*p和取值時出現的*p弄混

指標他有沒有值？有！我們會在下一節給他賦值。
既然他的定義方式和變數一樣，他也有值，他為什麼不是變數呢？

Part 3：與指標相關的幾個符號

與指標相關的符號有兩個，一個是&，一個是*。
先來聊聊&。
&我們上面講過，他是來取地址的。舉個例子：

#include <stdio.h>
int main(){
    int a = 10;
    float b = 10.3;
    printf("%p,%p",&a,&b);
}

%p用來輸出地址，當然，你也可以寫成%d或者%x。先不管這個，我們來看看他會輸出什麼：

那麼也就是說，變數a和b的地址是000000000062FE1C和000000000062FE18
那麼我們怎麼把這個地址給指標呢？很簡單：p = &a;，舉個例子：

#include <stdio.h>
int main(){
    int a = 10;
    int* p;
    p = &a;
    printf("a的地址：%p\n",&a);
    printf("指標p自身的地址：%p\n",&p);
    printf("指標p指向的地址：%p",p);
}

得到輸出：

a的地址：000000000062FE1C
指標p自身的地址：000000000062FE10
指標p指向的地址：000000000062FE1C

你發現了嗎？如果我們有p = &a;，我們發現：直接輸出p會輸出a的地址，輸出&p會輸出p的地址（這就是為什麼我一再強調p是個變數，他有自己的地址，正如路牌上有地址，路牌自身也有個地址一樣）。

請注意！如果你的指標為int*，那麼你只能指向int型別；如果是double*型別，只能指向double型別，以此類推

當然，void*型別的指標可以轉化為任何一種不同的指標型別（如int*,double*等等）

那麼，我們來聊聊第二個符號*
*有兩個用法。第一個在定義指標時用到，第二個則是取值，什麼意思？看下面這個例子：

#include <stdio.h>
int main(){
    int a = 10;
    int* p;
    p = &a;
    printf("a的地址：%p\n",&a);
    printf("指標p自身的地址：%p\n",&p);
    printf("指標p指向的地址：%p\n",p);
    printf("指標p指向的地址的值：%d",*p);
}

得到輸出：

a的地址：000000000062FE1C
指標p自身的地址：000000000062FE10
指標p指向的地址：000000000062FE1C
指標p指向的地址的值：10

哈，我們得到了a的值！
也就是說，當我們有p = &a，我們可以用*p得到a的值。
那能不能操作呢？當然可以。
我們可以把*p當做a的值，那麼，我們嘗試如下程式碼：

#include <stdio.h>
int main(){
    int a = 10;
    int* p;
    p = &a;
    printf("指標p指向的地址的值：%d\n",*p);
    *p = 13;
    printf("指標p指向的地址的值：%d\n",*p);
    *p += 3;
    printf("指標p指向的地址的值：%d\n",*p);
    *p -= 3;
    printf("指標p指向的地址的值：%d\n",*p);
    *p *= 9;
    printf("指標p指向的地址的值：%d\n",*p);
    *p /= 3;
    printf("指標p指向的地址的值：%d\n",*p);
    *p %= 3;
    printf("指標p指向的地址的值：%d\n",*p);
}

得到輸出：

指標p指向的地址的值：10
指標p指向的地址的值：13
指標p指向的地址的值：16
指標p指向的地址的值：13
指標p指向的地址的值：117
指標p指向的地址的值：39
指標p指向的地址的值：0

棒極了！我們可以用指標來操作變數了。
那麼，我們要這個幹什麼用呢？請看下一節：實現交換函式

Part 4：交換函式

交換函式是指標必學的一個東西。一般的交換我們會這麼寫：

t = a;
a = b;
b = t;

那麼我們把它塞到函式裡邊：

void swap(int a,int b){
      int t;
      t = a;
      a = b;
      b = t;
}

好，我們滿懷信心的呼叫他：

#include <stdio.h>
void swap(int a,int b){
      int t;
      t = a;
      a = b;
      b = t;
}
int main(){
      int x = 5,y = 10;
      printf("x=%d,y=%d\n",x,y);
      swap(x,y);
      printf("x=%d,y=%d",x,y);
}

於是乎，你得到了這個輸出：

x=5,y=10
x=5,y=10

啊啊啊啊啊啊啊啊，為什麼不行！！！
問題就在你的swap函式，我們來看看他們做了些啥：

swap(x,y);             --->把x賦值給a，把y賦值給b
///進入函式體
int t;                 --->定義t
t = a;                 --->t賦值為a
a = b;                 --->a賦值為b
b = t;                 --->b賦值為t

各位同學，函式體內有任何一點談到了x和y嗎？
所謂的交換，交換的到底是a和b，還是x和y？
我相信你這時候你恍然大悟了，我們一直在交換a和b，並沒有操作x和y

那麼我們怎麼操作？指標！
因為x和y在整個程式中的地址一定是不變的，那麼我們通過上一節的指標運算可以得到，我們能夠經過指標操作變數的值。
那麼，我們改進一下這個函式

void swap(int* a,int* b){
      int t;
      t = *a;
      *a = *b;
      *b = t;
}

我們再來試試，然後你就會得到報錯資訊。

我想，你是這麼用的：swap(x,y)。
問題就在這裡，我們看看swap需要怎樣的兩個變數？int*和int*型別。
怎麼辦？我告訴你一個小祕密：
任何一個變數加上&，此時就相當於在原本的型別加上了*
什麼意思？也就是說：

int a;
&a ---> int*;
double d;
&d ---> double*;
int* p;
&p ---> int**;//這是個二級指標，也就是說指向指標的指標

那麼，我們要這麼做：swap(&a,&b)，把傳入的引數int換為int*

再次嘗試，得到輸出：

x=5,y=10
x=10,y=5

累死了，總算是搞好了

Part 5：char*表示字串

char*這個神奇的型別可以表示個字串，舉個例子：


#include <stdio.h>

int main()
{
    char* str;
    str = "YOU AK IOI!";
    printf("%s",str);
}

請注意：輸入和輸出字串的時候，都不能帶上*和&。

你可以用string.h中的函式來進行操作

Part 6：野指標

有些同學他會這麼寫：

int* p;
printf("%p",p);

哦千萬不要這麼做！
當你沒有讓p指向某個地方的時候，你還把他用了！這個時候就會產生野指標。
野指標的危害是什麼？
第一種是指向不可訪問（作業系統不允許訪問的敏感地址，譬如核心空間）的地址，結果是觸發段錯誤，這種算是最好的情況了；

第二種是指向一個可用的、而且沒什麼特別意義的空間（譬如我們曾經使用過但是已經不用的棧空間或堆空間），這時候程式執行不會出錯，也不會對當前程式造成損害，這種情況下會掩蓋你的程式錯誤，讓你以為程式沒問題，其實是有問題的；

第三種情況就是指向了一個可用的空間，而且這個空間其實在程式中正在被使用（譬如說是程式的一個變數x），那麼野指標的解引用就會剛好修改這個變數x的值，導致這個變數莫名其妙的被改變，程式出現離奇的錯誤。一般最終都會導致程式崩潰，或者資料被損害。這種危害是最大的。

不論如何，我們都不希望看到這些發生。
於是，養成好習慣：變數先賦值。

指標你可以這麼做：int *p =NULL;讓指標指向空

不論如何，他總算有個值了。

Part 7：總結

本文乾貨全部在這裡了：

  1. 指標是個變數，他的型別是資料型別+*，他的值是一個地址，他自身也有地址
  2. 指標有兩個專屬運算子：&和*
  3. 指標可以操作變數，不能操作常量
  4. 指標可以表示字串
  5. 請注意野指標的問題

本文沒有講到的：

  1. char[]，char，const char的區別與聯絡
  2. const修飾指標會怎麼樣？
  3. void*指標的運用
  4. 多級指標的運用
  5. NULL到底是什麼
  6. malloc函式的運用

感謝觀看！

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