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一、前言
半個月前寫的那篇關於指標最底層原理的文章，得到了很多朋友的認可(連結: C語言指標-從底層原理到花式技巧，用圖文和程式碼幫你講解透徹)，特別是對剛學習C語言的小夥伴來說，很容易就從根本上理解指標到底是什麼、怎麼用，這也讓我堅信一句話；用心寫出的文章，一定會被讀者感受到！在寫這篇文章的時候，我列了一個提綱，寫到後面的時候，發現已經超過一萬字了，但是提綱上還有最後一個主題沒有寫。如果繼續寫下去，文章體積就太大了，於是就留下了一個尾巴。
今天，我就把這個尾巴給補上去：主要是介紹指標在應用程式的程式設計中，經常使用的技巧。如果之前的那篇文章勉強算是“道”層面的話，那這篇文章就屬於“術”的層面。主要通過 8 個示例程式來展示在 C 語言應用程式中，關於指標使用的常見套路，希望能給你帶來收穫。
記得我在校園裡學習C語言的時候，南師大的黃鳳良老師花了大半節課的時間給我們解釋指標，現在最清楚地記得老師說過的一句話就是：指標就是地址，地址就是指標！
二、八個示例
1. 開胃菜：修改主調函式中的資料
// 交換 2 個 int 型資料
void demo1_swap_data(int *a, int *b)
{
int tmp = *a;
*a = *b;
*b = tmp;
}
void demo1()
{
int i = 1;
int j = 2;
printf("before: i = %d, j = %d \n", i, j);
demo1_swap_data(&i, &j);
printf("after: i = %d, j = %d \n", i, j);
}
這個程式碼不用解釋了，大家一看就明白。如果再過多解釋的話，好像在侮辱智商。
2. 在被呼叫函式中，分配系統資源
程式碼的目的是：在被呼叫函式中，從堆區分配 size 個位元組的空間，返回給主調函式中的 pData 指標。
void demo2_malloc_heap_error(char *buf, int size)
{
buf = (char *)malloc(size);
printf("buf = 0x%x \n", buf);
}
void demo2_malloc_heap_ok(char **buf, int size)
{
*buf = (char *)malloc(size);
printf("*buf = 0x%x \n", *buf);
}
void demo2()
{
int size = 1024;
char *pData = NULL;
// 錯誤用法
demo2_malloc_heap_error(pData, size);
printf("&pData = 0x%x, pData = 0x%x \n", &pData, pData);
// 正確用法
demo2_malloc_heap_ok(&pData, size);
printf("&pData = 0x%x, pData = 0x%x \n", &pData, pData);
free(pData);
}
2.1 錯誤用法
剛進入被呼叫函式 demo2_malloc_heap_error 的時候，形參 buff 是一個 char* 型指標，它的值等於 pData 變數的值，也就是說 buff 與 pData 的值相同(都為 NULL)，記憶體模型如圖：
在被呼叫函式中執行 malloc 語句之後，從堆區申請得到的地址空間賦值給 buf，就是說它就指向了這個新的地址空間，而 pData 裡仍然是NULL，記憶體模型如下：
從圖中可以看到，pData 的記憶體中一直是 NULL，沒有指向任何堆空間。另外，由於形參 buf 是放在函式的棧區的，從被調函式中返回的時候，堆區這塊申請的空間就被洩漏了。
2.2 正確用法
剛進入被呼叫函式 demo2_malloc_heap_error 的時候，形參 buf 是一個 char* 型的二級指標，就是說 buf 裡的值是另一個指標變數的地址，在這個示例中 buf 裡的值就是 pData 這個指標變數的地址，記憶體模型如下：
在被呼叫函式中執行 malloc 語句之後，從堆區申請得到的地址空間賦值給 *buf，因為 buf = &pData，所以 *buf 就相當於是 pData，那麼從堆區申請得到的地址空間就賦值 pData 變數，記憶體模型如下：
從被調函式中返回之後，pData 就正確的得到了一塊堆空間，別忘了使用之後要主動釋放。
3. 傳遞函式指標
從上篇文章中我們知道，函式名本身就代表一個地址，在這個地址中儲存著函式體中定義的一連串指令碼，只要給這個地址後面加上一個呼叫符(小括號)，就進入這個函式中執行。在實際程式中，函式名常常作為函式引數來進行傳遞。
熟悉C++的小夥伴都知道，在標準庫中對容器型別的資料進行各種演算法操作時，可以傳入使用者自己的提供的演算法函式(如果不傳入函式，標準庫就使用預設的)。
下面是一個示例程式碼，對一個 int 行的陣列進行排序，排序函式 demo3_handle_data 的最後一個引數是一個函式指標，因此需要傳入一個具體的排序演算法函式。示例中有 2 個候選函式可以使用：
- 降序排列: demo3_algorithm_decend；
- 升序排列: demo3_algorithm_ascend;
typedef int BOOL;
#define FALSE 0
#define TRUE 1
BOOL demo3_algorithm_decend(int a, int b)
{
return a > b;
}
BOOL demo3_algorithm_ascend(int a, int b)
{
return a < b;
}
typedef BOOL (*Func)(int, int);
void demo3_handle_data(int *data, int size, Func pf)
{
for (int i = 0; i < size - 1; ++i)
{
for (int j = 0; j < size - 1 - i; ++j)
{
// 呼叫傳入的排序函式
if (pf(data[j], data[j+1]))
{
int tmp = data[j];
data[j] = data[j + 1];
data[j + 1] = tmp;
}
}
}
}
void demo3()
{
int a[5] = {5, 1, 9, 2, 6};
int size = sizeof(a)/sizeof(int);
// 呼叫排序函式，需要傳遞排序演算法函式
//demo3_handle_data(a, size, demo3_algorithm_decend); // 降序排列
demo3_handle_data(a, size, demo3_algorithm_ascend); // 升序排列
for (int i = 0; i < size; ++i)
printf("%d ", a[i]);
printf("\n");
}
這個就不用畫圖了，函式指標 pf 就指向了傳入的那個函式地址，在排序的時候直接呼叫就可以了。
4. 指向結構體的指標
在嵌入式開發中，指向結構體的指標使用特別廣泛，這裡以智慧家居中的一條控制指令來舉例。在一個智慧家居系統中，存在各種各樣的裝置(插座、電燈、電動窗簾等)，每個裝置的控制指令都是不一樣的，因此可以在每個裝置的控制指令結構體中的最前面，放置所有指令都需要的、通用的成員變數，這些變數可以稱為指令頭(指令頭中包含一個代表命令型別的列舉變數)。
當處理一條控制指令時，先用一個通用命令(指令頭)的指標來接收指令，然後根據命令型別列舉變數來區分，把控制指令強制轉換成具體的那個裝置的資料結構，這樣就可以獲取到控制指令中特定的控制資料了。
本質上，與 Java/C++ 中的介面、基類的概念類似。
// 指令型別列舉
typedef enum _CMD_TYPE_ {
CMD_TYPE_CONTROL_SWITCH = 1,
CMD_TYPE_CONTROL_LAMP,
} CMD_TYPE;
// 通用的指令資料結構(指令頭)
typedef struct _CmdBase_ {
CMD_TYPE cmdType; // 指令型別
int deviceId; // 裝置 Id
} CmdBase;
typedef struct _CmdControlSwitch_ {
// 前 2 個引數是指令頭
CMD_TYPE cmdType;
int deviceId;
// 下面都有這個指令私有的資料
int slot; // 排插上的哪個插口
int state; // 0:斷開, 1:接通
} CmdControlSwitch;
typedef struct _CmdControlLamp_ {
// 前 2 個引數是指令頭
CMD_TYPE cmdType;
int deviceId;
// 下面都有這個指令私有的資料
int color; // 顏色
int brightness; // 亮度
} CmdControlLamp;
// 引數是指令頭指標
void demo4_control_device(CmdBase *pcmd)
{
// 根據指令頭中的命令型別，把指令強制轉換成具體裝置的指令
if (CMD_TYPE_CONTROL_SWITCH == pcmd->cmdType)
{
// 型別強制轉換
CmdControlSwitch *cmd = pcmd;
printf("control switch. slot = %d, state = %d \n", cmd->slot, cmd->state);
}
else if (CMD_TYPE_CONTROL_LAMP == pcmd->cmdType)
{
// 型別強制轉換
CmdControlLamp * cmd = pcmd;
printf("control lamp. color = 0x%x, brightness = %d \n", cmd->color, cmd->brightness);
}
}
void demo4()
{
// 指令1：控制一個開關
CmdControlSwitch cmd1 = {CMD_TYPE_CONTROL_SWITCH, 1, 3, 0};
demo4_control_device(&cmd1);
// 指令2：控制一個燈泡
CmdControlLamp cmd2 = {CMD_TYPE_CONTROL_LAMP, 2, 0x112233, 90};
demo4_control_device(&cmd2);
}
5. 函式指標陣列
這個示例在上篇文章中演示過，為了完整性，這裡再貼一下。
int add(int a, int b) { return a + b; }
int sub(int a, int b) { return a - b; }
int mul(int a, int b) { return a * b; }
int divide(int a, int b) { return a / b; }
void demo5()
{
int a = 4, b = 2;
int (*p[4])(int, int);
p[0] = add;
p[1] = sub;
p[2] = mul;
p[3] = divide;
printf("%d + %d = %d \n", a, b, p[0](a, b));
printf("%d - %d = %d \n", a, b, p[1](a, b));
printf("%d * %d = %d \n", a, b, p[2](a, b));
printf("%d / %d = %d \n", a, b, p[3](a, b));
}
6. 在結構體中使用柔性陣列
先不解釋概念，我們先來看一個程式碼示例：
// 一個結構體，成員變數 data 是指標
typedef struct _ArraryMemberStruct_NotGood_ {
int num;
char *data;
} ArraryMemberStruct_NotGood;
void demo6_not_good()
{
// 列印結構體的記憶體大小
int size = sizeof(ArraryMemberStruct_NotGood);
printf("size = %d \n", size);
// 分配一個結構體指標
ArraryMemberStruct_NotGood *ams = (ArraryMemberStruct_NotGood *)malloc(size);
ams->num = 1;
// 為結構體中的 data 指標分配空間
ams->data = (char *)malloc(1024);
strcpy(ams->data, "hello");
printf("ams->data = %s \n", ams->data);
// 列印結構體指標、成員變數的地址
printf("ams = 0x%x \n", ams);
printf("ams->num = 0x%x \n", &ams->num);
printf("ams->data = 0x%x \n", ams->data);
// 釋放空間
free(ams->data);
free(ams);
}
在我的電腦上，列印結果如下：
可以看到：該結構體一共有 8 個位元組(int 型佔 4 個位元組，指標型佔 4 個位元組)。
結構體中的 data 成員是一個指標變數，需要單獨為它申請一塊空間才可以使用。而且在結構體使用之後，需要先釋放 data，然後釋放結構體指標 ams，順序不能錯。
這樣使用起來，是不是有點麻煩？
於是，C99 標準就定義了一個語法：flexible array member(柔性陣列)，直接上程式碼(下面的程式碼如果編譯時遇到警告，請檢查下編譯器對這個語法的支援):
// 一個結構體，成員變數是未指明大小的陣列
typedef struct _ArraryMemberStruct_Good_ {
int num;
char data[];
} ArraryMemberStruct_Good;
void demo6_good()
{
// 列印結構體的大小
int size = sizeof(ArraryMemberStruct_Good);
printf("size = %d \n", size);
// 為結構體指標分配空間
ArraryMemberStruct_Good *ams = (ArraryMemberStruct_Good *)malloc(size + 1024);
strcpy(ams->data, "hello");
printf("ams->data = %s \n", ams->data);
// 列印結構體指標、成員變數的地址
printf("ams = 0x%x \n", ams);
printf("ams->num = 0x%x \n", &ams->num);
printf("ams->data = 0x%x \n", ams->data);
// 釋放空間
free(ams);
}
列印結果如下：
與第一個例子中有下面幾個不同點：
- 結構體的大小變成了 4；
- 為結構體指標分配空間時，除了結構體本身的大小外，還申請了 data 需要的空間大小；
- 不需要為 data 單獨分配空間了；
- 釋放空間時，直接釋放結構體指標即可；
是不是用起來簡單多了？！這就是柔性陣列的好處。
從語法上來說，柔性陣列就是指結構體中最後一個元素個數未知的陣列，也可以理解為長度為 0，那麼就可以讓這個結構體稱為可變長的。
前面說過，陣列名就代表一個地址，是一個不變的地址常量。在結構體中，陣列名僅僅是一個符號而已，只代表一個偏移量，不會佔用具體的空間。
另外，柔性陣列可以是任意型別。這裡示例大家多多體會，在很多通訊類的處理場景中，常常見到這種用法。
7. 通過指標來獲取結構體中成員變數的偏移量
這個標題讀起來似乎有點拗口，拆分一下：在一個結構體變數中，可以利用指標操作的技巧，獲取某個成員變數的地址、距離結構體變數的開始地址、之間的偏移量。
在 Linux 核心程式碼中你可以看到很多地方都利用了這個技巧，程式碼如下：
#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &(((TYPE*)0)->MEMBER))
typedef struct _OffsetStruct_ {
int a;
int b;
int c;
} OffsetStruct;
void demo7()
{
OffsetStruct os;
// 列印結構體變數、成員變數的地址
printf("&os = 0x%x \n", &os);
printf("&os->a = 0x%x \n", &os.a);
printf("&os->b = 0x%x \n", &os.b);
printf("&os->c = 0x%x \n", &os.c);
printf("===== \n");
// 列印成員變數地址，與結構體變數開始地址，之間的偏移量
printf("offset: a = %d \n", (char *)&os.a - (char *)&os);
printf("offset: b = %d \n", (char *)&os.b - (char *)&os);
printf("offset: c = %d \n", (char *)&os.c - (char *)&os);
printf("===== \n");
// 通過指標的強制型別轉換來獲取偏移量
printf("offset: a = %d \n", (size_t) &((OffsetStruct*)0)->a);
printf("offset: b = %d \n", (size_t) &((OffsetStruct*)0)->b);
printf("offset: c = %d \n", (size_t) &((OffsetStruct*)0)->c);
printf("===== \n");
// 利用巨集定義來得到成員變數的偏移量
printf("offset: a = %d \n", offsetof(OffsetStruct, a));
printf("offset: b = %d \n", offsetof(OffsetStruct, b));
printf("offset: c = %d \n", offsetof(OffsetStruct, c));
}
先來看列印結果：
前面 4 行的列印資訊不需要解釋了，直接看下面這個記憶體模型即可理解。
下面這個語句也不需要多解釋，就是把兩個地址的值進行相減，得到距離結構體變數開始地址的偏移量，注意：需要把地址強轉成 char* 型之後，才可以相減。
printf("offset: a = %d \n", (char *)&os.a - (char *)&os);
下面這條語句需要好好理解：
printf("offset: a = %d \n", (size_t) &((OffsetStruct*)0)->a);
數字 0 看成是一個地址，也就是一個指標。上篇文章解釋過，指標就代表記憶體中的一塊空間，至於你把這塊空間裡的資料看作是什麼，這個隨便你，你只要告訴編譯器，編譯器就按照你的意思去操作這些資料。
現在我們把 0 這個地址裡的資料看成是一個 OffsetStruct 結構體變數(通過強制轉換來告訴編譯器)，這樣就得到了一個 OffsetStruct 結構體指標(下圖中綠色橫線)，然後得到該指標變數中的成員變數 a(藍色橫線)，再然後通過取地址符 & 得到 a 的地址(橙色橫線)，最後把這個地址強轉成 size_t 型別(紅色橫線)。
因為這個結構體指標變數是從 0 地址開始的，因此，成員變數 a 的地址就是 a 距離結構體變數開始地址的偏移量。
上面的描述過程，如果感覺拗口，請結合下面這張圖再讀幾遍：
上面這張圖如果能看懂的話，那麼最後一種通過巨集定義獲取偏移量的列印語句也就明白了，無非就是把程式碼抽象成巨集定義了，方便呼叫：
#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &(((TYPE*)0)->MEMBER))
printf("offset: a = %d \n", offsetof(OffsetStruct, a));
可能有小夥伴提出：獲取這個偏移量有什麼用啊？那就請接著看下面的示例 8。
8. 通過結構體中成員變數的指標，來獲取該結構體的指標
標題同樣比較拗口，直接結合程式碼來看：
typedef struct _OffsetStruct_ {
int a;
int b;
int c;
} OffsetStruct;
假設有一個 OffsetStruct 結構體變數 os，我們只知道 os 中成員變數 c 的地址(指標)，那麼我們想得到變數 os 的地址(指標)，應該怎麼做？這就是標題所描述的目的。
下面程式碼中的巨集定義 container_of 同樣是來自於 Linux 核心中的(大家平常沒事時多挖掘，可以發現很多好東西)。
#define container_of(ptr, type, member) ({ \
const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \
(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
void demo8()
{
// 下面 3 行僅僅是演示 typeof 關鍵字的用法
int n = 1;
typeof(n) m = 2; // 定義相同型別的變數m
printf("n = %d, m = %d \n", n, m);
// 定義結構體變數，並初始化
OffsetStruct os = {1, 2, 3};
// 列印結構體變數的地址、成員變數的值(方便後面驗證)
printf("&os = 0x%x \n", &os);
printf("os.a = %d, os.b = %d, os.c = %d \n", os.a, os.b, os.c);
printf("===== \n");
// 假設只知道某個成員變數的地址
int *pc = &os.c;
OffsetStruct *p = NULL;
// 根據成員變數的地址，得到結構體變數的地址
p = container_of(pc, OffsetStruct, c);
// 列印指標的地址、成員變數的值
printf("p = 0x%x \n", p);
printf("p->a = %d, p->b = %d, p->c = %d \n", p->a, p->b, p->c);
}
先看列印結果：
首先要清楚巨集定義中引數的型別：
- ptr: 成員變數的指標；
- type: 結構體型別；
- member：成員變數的名稱；
這裡的重點就是理解巨集定義 container_of，結合下面這張圖，把巨集定義拆開來進行描述：
巨集定義中的第 1 條語句分析:
- 綠色橫線：把數字 0 看成是一個指標，強轉成結構體 type 型別；
- 藍色橫線：獲取該結構體指標中的成員變數 member;
- 橙色橫線：利用 typeof 關鍵字，獲取該 member 的型別，然後定義這個型別的一個指標變數 __mptr；
- 紅色橫線：把巨集引數 ptr 賦值給 __mptr 變數；
巨集定義中的第 2 條語句分析：
- 綠色橫線：利用 demo7 中的 offset 巨集定義，得到成員變數 member 距離結構體變數開始地址的偏移量，而這個成員變數指標剛才已經知道了，就是 __mptr;
- 藍色橫線：把 __mptr 這個地址，減去它自己距離結構體變數開始地址的偏移量，就得到了該結構體變數的開始地址；
- 橙色橫線：最後把這個指標(此時是 char* 型)，強轉成結構體 type 型別的指標；
三、總結
上面這 8 個關於指標的用法掌握之後，再去處理子字元、陣列、連結串列等資料，基本上就是熟練度和工作量的問題了。
希望大家都能用好指標這個神器，提高程式程式執行效率。
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作者：道哥(公眾號: IOT物聯網小鎮)
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