指针是C中的一个著名的谜之特性,我会试着通过教授你一些用于处理它们的词汇,使之去神秘化。指针实际上并不复杂,只不过它们经常以一些奇怪的方式被滥用,这样使它们变得难以使用。如果你避免这些愚蠢的方法来使用指针,你会发现它们难以置信的简单。
要想以一种我们可以谈论的方式来讲解指针,我会编写一个无意义的程序,它以三种方式打印了一组人的年龄:
#include <stdio.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
// create two arrays we care about
int ages[] = {23, 43, 12, 89, 2};
char *names[] = {
"Alan", "Frank",
"Mary", "John", "Lisa"
};
// safely get the size of ages
int count = sizeof(ages) / sizeof(int);
int i = 0;
// first way using indexing
for(i = 0; i < count; i++) {
printf("%s has %d years alive.\n",
names[i], ages[i]);
}
printf("---\n");
// setup the pointers to the start of the arrays
int *cur_age = ages;
char **cur_name = names;
// second way using pointers
for(i = 0; i < count; i++) {
printf("%s is %d years old.\n",
*(cur_name+i), *(cur_age+i));
}
printf("---\n");
// third way, pointers are just arrays
for(i = 0; i < count; i++) {
printf("%s is %d years old again.\n",
cur_name[i], cur_age[i]);
}
printf("---\n");
// fourth way with pointers in a stupid complex way
for(cur_name = names, cur_age = ages;
(cur_age - ages) < count;
cur_name++, cur_age++)
{
printf("%s lived %d years so far.\n",
*cur_name, *cur_age);
}
return 0;
}
在解释指针如何工作之前,让我们逐行分解这个程序,这样你可以对发生了什么有所了解。当你浏览这个详细说明时,试着自己在纸上回答问题,之后看看你猜测的结果符合我对指针的描述。
ex15.c:6-10
创建了两个数组,ages
储存了一些int
数据,names
储存了一个字符串数组。
ex15.c:12-13
为之后的for
循环创建了一些变量。
ex15.c:16-19
你知道这只是遍历了两个数组,并且打印出每个人的年龄。它使用了i
来对数组索引。
ex15.c:24
创建了一个指向ages
的指针。注意int *
创建“指向整数的指针”的指针类型的用法。它很像char *
,意义是“指向字符的指针”,而且字符串是字符的数组。是不是很相似呢?
ex15.c:25
创建了指向names
的指针。char *
已经是“指向char
的指针”了,所以它只是个字符串。你需要两个层级,因为names
是二维的,也就是说你需要char **
作为“指向‘指向字符的指针’的指针”。把它学会,并且自己解释它。
ex15.c:28-31
遍历ages
和names
,但是使用“指针加偏移i
”。*(cur_name+i)
和name[i]
是一样的,你应该把它读作“‘cur_name
指针加i
’的值”。
ex15.c:35-39
这里展示了访问数组元素的语法和指针是相同的。
ex15.c:44-50
另一个十分愚蠢的循环和其它两个循环做着相同的事情,但是它用了各种指针算术运算来代替:
ex15.c:44
通过将cur_name
和cur_age
置为names
和age
数组的起始位置来初始化for
循环。
ex15.c:45
for
循环的测试部分比较cur_age
指针和ages
起始位置的距离,为什么可以这样写呢?
ex15.c:46
for
循环的增加部分增加了cur_name
和cur_age
的值,这样它们可以只想names
和ages
的下一个元素。
ex15.c:48-49
cur_name
和cur_age
的值现在指向了相应数组中的一个元素,我们我可以通过*cur_name
和*cur_age
来打印它们,这里的意思是“cur_name
和cur_age
指向的值”。
这个看似简单的程序却包含了大量的信息,其目的是在我向你讲解之前尝试让你自己弄清楚指针。直到你写下你认为指针做了什么之前,不要往下阅读。
在你运行这个程序之后,尝试根据打印出的每一行追溯到代码中产生它们的那一行。在必要情况下,修改printf
调用来确认你得到了正确的行号:
$ make ex15
cc -Wall -g ex15.c -o ex15
$ ./ex15
Alan has 23 years alive.
Frank has 43 years alive.
Mary has 12 years alive.
John has 89 years alive.
Lisa has 2 years alive.
---
Alan is 23 years old.
Frank is 43 years old.
Mary is 12 years old.
John is 89 years old.
Lisa is 2 years old.
---
Alan is 23 years old again.
Frank is 43 years old again.
Mary is 12 years old again.
John is 89 years old again.
Lisa is 2 years old again.
---
Alan lived 23 years so far.
Frank lived 43 years so far.
Mary lived 12 years so far.
John lived 89 years so far.
Lisa lived 2 years so far.
$
当你写下一些类似ages[i]
的东西时,你实际上在用i
中的数字来索引ages
。如果i
的值为0,那么就等同于写下ages[0]
。我们把i
叫做下标,因为它是ages
中的一个位置。它也能称为地址,这是“我想要ages
位于地址i
处的整数”中的说法。
如果i
是个下标,那么ages
又是什么?对C来说ages
是在计算机中那些整数的起始位置。当然它也是个地址,C编译器会把任何你键入ages
的地方替换为数组中第一个整数的地址。另一个理解它的办法就是把ages
当作“数组内部第一个整数的地址”,但是它是整个计算机中的地址,而不是像i
一样的ages
中的地址。ages
数组的名字在计算机中实际上是个地址。
这就产生了一种特定的实现:C把你的计算机看成一个庞大的字节数组。显然这样不会有什么用处,于是C就在它的基础上构建出类型和大小的概念。你已经在前面的练习中看到了它是如何工作的,但现在你可以开始了解C对你的数组做了下面一些事情:
ages
这个名字“指向”它的起始位置。ages
作为基址,并且获取位置为i
的元素,来对内存块进行索引。ages+i
处的元素转换成大小正确的有效的int
,这样就返回了你想要的结果:下标i
处的int
。如果你可以选取ages
作为基址,之后加上比如i
的另一个地址,你是否就能随时构造出指向这一地址的指针呢?是的,这种东西就叫做指针。这也是cur_age
和cur_name
所做的事情,它们是指向计算机中这一位置的变量,ages
和names
就处于这一位置。之后,示例程序移动它们,或者做了一些算数运算,来从内存中获取值。在其中一个实例中,只是简单地将cur_age
加上i
,这样等同于array[i]
。在最后一个for
循环中,这两个指针在没有i
辅助的情况下自己移动,被当做数组基址和整数偏移合并到一起的组合。
指针仅仅是指向计算机中的某个地址,并带有类型限定符,所以你可以通过它得到正确大小的数据。它类似于将ages
和i
组合为一个数据类型的东西。C了解指针指向什么地方,所指向的数据类型,这些类型的大小,以及如何为你获取数据。你可以像i
一样增加它们,减少它们,对他们做加减运算。然而它们也像是ages
,你可以通过它获取值,放入新的值,或执行全部的数组操作。
指针的用途就是让你手动对内存块进行索引,一些情况下数组并不能做到。绝大多数情况中,你可能打算使用数组,但是一些处理原始内存块的情况,是指针的用武之地。指针向你提供了原始的、直接的内存块访问途径,让你能够处理它们。
在这一阶段需要掌握的最后一件事,就是你可以对数组和指针操作混用它们绝大多数的语法。你可以对一个指针使用数组的语法来访问指向的东西,也可以对数组的名字做指针的算数运算。
你可以用指针做下面四个最基本的操作:
对于你看到的其它所有情况,实际上应当使用数组。在早期,由于编译器不擅长优化数组,人们使用指针来加速它们的程序。然而,现在访问数组和指针的语法都会翻译成相同的机器码,并且表现一致。由此,你应该每次尽可能使用数组,并且按需将指针用作提升性能的手段。
现在我打算向你提供一个词库,用于读写指针。当你遇到复杂的指针语句时,试着参考它并且逐字拆分语句(或者不要使用这个语句,因为有可能并不好):
type *ptr
type
类型的指针,名为ptr
。
*ptr
ptr
所指向位置的值。
*(ptr + i)
(ptr
所指向位置加上i
)的值。
译者注:以字节为单位的话,应该是
ptr
所指向的位置再加上sizeof(type) * i
。
&thing
thing
的地址。
type *ptr = &thing
名为ptr
,type
类型的指针,值设置为thing
的地址。
ptr++
自增ptr
指向的位置。
我们将会使用这份简单的词库来拆解这本书中所有的指针用例。
无论怎么样,你都不应该把指针和数组混为一谈。它们并不是相同的东西,即使C让你以一些相同的方法来使用它们。例如,如果你访问上面代码中的sizeof(cur_age)
,你会得到指针的大小,而不是它指向数组的大小。如果你想得到整个数组的大小,你应该使用数组的名称age
,就像第12行那样。
译者注,除了
sizeof
、&
操作和声明之外,数组名称都会被编译器推导为指向其首个元素的指针。对于这些情况,不要用“是”这个词,而是要用“推导”。
你可以通过将指针指向错误的位置来使程序崩溃:
cur_age
指向names
。可以需要C风格转换来强制执行,试着查阅相关资料把它弄明白。for
循环中,用一些古怪的方式使计算发生错误。names
那样。for
循环,打印出这些指针所指向的地址。你需要在printf
中使用%p
。for
循环改为while
循环,并且观察对于每种指针用法哪种循环更方便。