【原創】淺談指標（一）

計算機知識雜談發表於2021-10-03
指標

前言

如今的很多開發人員，對指標或多或少都有一些畏懼心理，都認為“指標經常會在一些不起眼的地方讓程式崩潰”。確實，很多錯誤都是由於指標引起的。指標和記憶體密切相關，難免會由於地址或是陣列越界，沒有初始化等原因，導致程式崩潰，然而，其實大多數錯誤都是可以避免的。
其實本人也看過一本書，叫做《征服C指標》。這本書寫的非常好，也希望大家有機會可以看看。這本書其實更多是針對C語言的語法和記憶體內部原理介紹。而本文將會更多的說到它的實際應用。

為什麼需要指標

在不知不覺中，我們其實已經在使用指標了。很久以前，當那些老師教我們使用scanf的時候，一定會說：scanf引數中變數名前要加上“&”號。

scanf("%d %d",a,b);

其實，這裡&符號的應用，暗含著指標和引數傳遞的操作。
其實scanf是非常老的函式了，在最早的C語言就有出現。那時候還沒有C++的引用機制，由於函式傳值機制，因此必須使用指標。
&符號是取地址運算子，我們可以嘗試定義變數並輸出他的地址。

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int qj;
int main(){
    int jb;
    cout<<&qj<<' '<<&jb;
}

這個程式嘗試輸出全域性變數和區域性變數的地址。可以看到，地址一般由十六進位制的格式輸出。

記憶體地址

講了這麼多，我們還沒有介紹我們的記憶體。記憶體是一個儲存器，一般家用記憶體從2GB到32GB不等。通常，我們執行的程式都儲存在記憶體之中。有人會問，我們寫程式都是儲存在C/D盤中的，不是在磁碟裡面嗎？其實，磁碟的讀取速度相較記憶體是非常緩慢的。因此，這類工作都是把磁碟中的資料先複製到記憶體，再執行其中的程式碼。
記憶體很大，為了把記憶體每一個位元組做上標記，我們需要一個數字作為記憶體的標號，這個標號就是地址。可以理解成我們生活中的身份證號一樣，根據這個號碼，我們就可以定位到一個唯一的位置了。（具體說，一般大多數計算機都是把程式放進虛擬記憶體的，本文此處不展開詳細描述，請參見其他資料）

指標變數

指標變數可以理解成儲存一個地址的變數。一般的變數定義如下：型別 *變數名
例如int *a;
乍一看像是定義叫做a的變數，但是其實定義一個叫做a的變數，型別是int。

a這個變數用於儲存變數的地址，&運算子也用於取得變數地址，那麼，我們就可以這樣使用指標了：

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int a=10;
int *p;
int main(){
    p=&a;
    printf("p..%p\n",p);
    printf("a..%d\n",a);
    printf("*p..%d",*p);
}

*p用於取得p地址的數值，到目前為止，我們學習了兩個運算子：
&a 取得變數a的地址
*a 取得a號地址的數值

指標的加減運算

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int a[3]={1,2,3};
int *p;
int main(){
    cout<<a<<endl;
    p=a;
    ++p;
    cout<<p<<endl;
    cout<<*p<<endl;
}

輸出：（前兩個地址可能不同，但是相差一定為4）
0x601508
0x60150c
2

可以看到，其實陣列名a就是一個指向陣列首元素的指標，不同的是，a是一個常量，不能對a進行修改（例如a++）
因此，a是陣列首元素的地址，自然可以賦值為p。
p++後，我們看到，結果不是0x601509，因為+1後，實際p不是加了1而是增加了sizeof(int)，即讓p到達下一個陣列元素的地址。

我們發現：
p+1後，*p就等於*(p+1)
而根據指標運演算法則，*(p+1)=a[1]
更加進一步說，a就是p，那麼
*(p+1)=p[1]
推廣開來，其實就是這個著名的指標定理：
p[i]=*(p+i)

進一步說，我們發現：
p[i]
=*(p+i) （指標的性質）
=*(i+p) （加法交換律）
=i[p] （指標的性質）

所以p[i]=i[p]。

指標運算的作用

使用指標訪問陣列元素

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int a[10]={4,6,3,7,8,4,5,9,1,2};
int main(){
    for(int *p=a;p<a+10;p++){
        cout<<*p<<endl;
    }
}

我們利用了指標進行了訪問陣列元素。
其實更好，更簡便的寫法是直接使用下標訪問a[i]。很多書上用這種寫法說明指標的優越性：

但是，a[i]=*(a+i)，如果迴圈中多次出現，那麼a+i就要被計算多次。但是用指標的方法，迴圈結束時才計算一次p++，因此速度較快。

然而這段話已經過時了，現代的編譯器大多有自動優化功能，會自動優化這些a+i的計算，對編譯器而言，寫成指標和陣列並無什麼不同。因此，寫這段的目的是：在非必要情況下，少用指標。指標用在這種場合就是殺雞用牛刀了。

下標為負數的陣列

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int a[10]={4,6,3,7,8,4,5,9,1,2};
int main(){
    int *p=&a[5];
    cout<<p[-1]<<endl;
}

p指向的是第5個元素，那麼p-1就是指向第4個元素8。把指標指向陣列中間元素，然後就可以把下標置換為負數了。

可變長陣列（也稱動態陣列）

如果我們要定義一個陣列，但是長度要等執行時確定，我們可以使用指標進行分配。

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int *p,n;
int main(){
    cin>>n;
    p=(int*)malloc(n*sizeof(int));
    for(int i=0;i<n;i++)cin>>p[i];
    for(int i=0;i<n;i++)cout<<p[i]<<" ";
}

使用malloc函式，給p分配n個空間，由於空間是連續的，因此我們可以把p當作陣列使用。

時間關係，更多內容敬請期待下一篇文章：淺談指標（二）
大致內容：

  • 函式傳參機制
  • 引用和指標的異同
  • 應用：連結串列
  • 函式指標

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