水滴石穿C語言之指標綜合談

   概述

    Joel Spolsky認為，對指標的理解是一種aptitude，不是通過訓練就可以達到的。雖然如此，我還是想談一談這個C/C++語言中最強勁也是最容易出錯的要素。

    鑒於指標和目前電腦記憶體結構的關聯，很多C語言比較本質的特點都孕育在其中，因此，本篇和第六、第七兩篇我都將以指標為主線，結合在實際編程中遇到的問題，來詳細談談關於指標的幾個重要方面。

    指標類型的本質分析

    1、指標的本質

    指標的本質：一種複合的資料類型。下面我將以下面幾個作為例子進行展開分析：

a）、int *p；

b）、int **p；

c）、int （*parValue）[3]；

d）、int （*pFun）（）；

    分析：

　　所謂的資料類型就是具有某種資料特徵的東東，比如資料類型char，它的資料特徵就是它所佔據的記憶體為1個位元組，指標也很類似，指標所指向的值也佔據著記憶體中的一塊地址，地址的長度與指標的類型有關，比如對於char型指標，這個指標佔據的記憶體就是1個位元組，因此指標也是一種資料類型，但我們知道指標本身也佔據了一個記憶體空間地址，地址的長度和機器的字長有關，比如在32位機器中，這個長度就是4個位元組，因此指標本身也同樣是一種資料類型，因此，我們說，指標其實是一種複合的資料類型。

    好了，現在我們可以分析上面的幾個例子了。

    假設有如下定義：

    int nValue；那麼，nValue的類型就是int，也就是把nValue這個具體變數去掉後剩餘的部分，因此，上面的4個聲明可以類比進行分析：

    a）、int *

    *代表變數（指標本身）的值是一個地址，int代表這個地址裡面存放的是一個整數，這兩個結合起來，int *定義了一個指向整數的指標，類推如下：

    b）、int **

    指向一個指向整數的指標的指標。

    c）、int （*）[3]

    指向一個擁有三個整數的數組的指標。

    d）、int （*）（）

    指向一個函數的指標，這個函數參數為空白，傳回值為整數。

    分析結束，從上面可以看出，指標包括兩個方面，一個是它本身的值，是一個記憶體中的地址；另一個是指標所指向的物，是這個地址中所存放著具有各種各樣意義的資料。

    2、對指標本身值的分析

    下面例子考察指標本身的值（環境為32位的電腦）：

    void *p = malloc（ 100 ）；請計算sizeof （ p ） = ？

    char str[] = “Hello” ；char *p = str ；

    請計算sizeof （ p ） = ？

    void Func （ char str[100]）

    {

    請計算 sizeof（ str ） = ？ //注意，此時，str已經退化為一個指標，詳情見下一篇指標與數組

    }

    分析：上面的例子，答案都是4，因為從上面的討論可以知道，指標本身的值對應著記憶體中的一個地址，它的size只與機器的字長有關（即它是由系統的記憶體模型決定的），在32位機器中，這個長度是4個位元組。

    3、對指標所指向物的分析

    現在再對指標這個複合類型的第二部分，指標所指向物的意義進行分析。

    上面我們已經得到了指標本身的類型，那麼將指標本身的類型去掉 “*”號就可得到指標所指向物的類型，分別如下：

    a）、int

    所指向物是一個整數。

    b）、int*

    所指向物是一個指向整數的指標。

    c）、int （）[3]

    （）為空白，可以去掉，變為int [3]，所指向物是一個擁有三個整數的數組。

    d）、int （）（）

    第一個（）為空白，可以去掉，變為int （），所指向物是一個函數，這個函數的參數為空白，傳回值為整數。

    4、附加分析

　　另外，關於指標本身大小的問題，在C++中與C有所不同，這裡我也順帶談一下。

　　在C++中，對於指向對象成員的指標，它的大小不一定是4個位元組，這主要是因為在引入多重虛擬繼承以及虛擬函數的時候，有些附加的資訊也需要通過這個指標 進行傳遞，因此指向對象成員的指標會增大，不論是指向成員資料，還是成員函數都是如此，具體與編譯器的實現有關，你可以編寫個很小的C++程式去驗證一 下。另外，對一個類的靜態成員（static member，可以是靜態成員變數或者靜態成員函數）來說，指向它的指標只是普通的函數指標，而不是一個指向類成員的指標，所以它的大小不會增加，仍舊是 4個位元組。

    指標運算子&和*

    “&和*”，它們是一對相反的操作，‘&’取得一個物的地址（也就是指標本身），‘*’得到一個地址裡放的物（指標所指向的物）。這個東西可以是值（對象）、函數、數組、類成員（class member）等等。

    參照上面的分析我們可以很好地理解&與*.

    使用指標的好處？

    關於指標的本質和基本的運算子我們討論過了，在這裡，我想再籠總地談一談使用指標的必要性和好處，為我們今後的使用和對後面篇章的理解做好鋪墊。簡而言之，指標有以下好處：

    1）、方便使用動態分配的數組。

    這個解釋我放在本系列第六篇中進行講解。

    2）、對於相同類型（甚至是相似類型）的多個變數進行通用訪問。

    就是用一個指標變數不斷在多個變數之間指來指去，從而使得非常應用起來非常靈活，不過，這招也比較危險，需要小心使用：因為出現錯誤的指標是編程中非常忌諱的事情。

    3）、變相改變一個函數的值傳遞特性。

    說白了，就是指標的傳地址作用，將一個變數的地址作為參數傳給函數，這樣函數就可以修改那個變數了。

    4）、節省函數調用代價。

    我們可以將參數，尤其是大個的參數（例如結構，對象等），將他們地址作為參數傳給函數，這樣可以省去編譯器為它們製作副本所帶來的空間和時間上的開銷。

    5）、動態擴充資料結構。

    因為指標可以動態地使用malloc/new產生堆上的記憶體，所以在需要動態擴充資料結構的時候，非常有用；比如對於樹、鏈表、Hash表等，這幾乎是必不可少的特性。

    6）、與目前電腦的記憶體模型相對應，可按照記憶體位址進行直接存取，這使得C非常適合於一些較底層的應用。

    這也是C/C++指標一個強大的優點，我會在後面講述C語言的底層操作時，較詳細地介紹這個優點的應用。

    7）、遍曆數組。

    據個例子來說吧，當你需要對字串數組進行操作時，想一想，你當然要用字串指標在字串上掃來掃去。

    …實在太多了，你可以慢慢來補充^_^.

    指標本身的相關問題

    1、問題：null 指標的定義

    曾經看過有的.h檔案將NULL定義為0L，為什嗎？

    答案與分析：

    這是一個關於null 指標宏定義的問題。指標在C語言中是經常使用的，有時需要將一個指標置為空白指標，例如在指標變數初始化的時候。

    C語言中的null 指標和Pascal或者Lisp語言中的NIL具有相同的地位。那如何定義null 指標呢？下面的語句是正確的：

    char *p1 = 0；int *p2；if （p ！= 0）

    {……

    } p2 = 0；

　　也就是說，在指標變數的初始化、賦值、比較操作中，0會被編譯器理解為要將指標置為空白指標。至於null 指標的內部表示是否是0，則隨不同的機器類型而定， 不過通常都是0.但是在另外一些場合下，例如函數的參數原型是指標類型，函數調用時如果將0作為參數傳入，編譯器則不能將其理解為空白指標。此時需要明確的類型轉換，例如：

void func （char *p）；
func （（char *）0）；

　　一般情況下，0是可以放在代碼中和指標關聯使用的，但是有些程式員（數量還不少呦！也許就包括你在內）不喜歡0的直白，認為其不能表示作為指標的特殊含義，於是要定義一個宏NULL，來明確表示null 指標常量。這也是對的，人家C語言標準就明確說：“ NULL應該被定義為與實現相關的null 指標常量”。但是將NULL定義成什麼樣的值呢？我想你一定見過好幾種定義NULL的方法：

#define NULL 0
#define NULL （char *）0
#define NULL （void *）0

　　在我們使用的絕大多數計算系統上，例如PC，上述定義是能夠工作的。然而，世界上還有很多其它種類的電腦，其CPU也不是Intel的。在某些系統上， 指標和整數的大小和內部表示並不一致，甚至不同類型的指標的大小都不一致。為了避免這種可移植性問題，0L是一種最為安全的、最妥帖的定義方式。0L的含義是： “值為0的整數常量運算式”。這與C語言給出的null 指標定義完全一致。因此，建議採用0L作為空白指標常量NULL的值。

　　其實 NULL定義值，和作業系統的的平台有關， 將一個指標定義為 NULL， 其用意是為了保護作業系統，因為通過指標可以訪問任何一塊地址， 但是，有些資料是不許一般使用者訪問的，比如作業系統的核心資料。 當我們通過一個空（NULL）的指標去方位元據時，系統會提示非法， 那麼系統又是如何知道的呢？？

　　以windows2000系統為例， 該系統規定系統中每個進程的起始地址（0x00000000）開始的某個位址範圍內是存放系統資料的，使用者進程無法訪問， 所以當使用者用null 指標（0）訪問時，其實訪問的就是0x00000000地址的系統資料，由於該地址資料是受系統保護的，所以系統會提示錯誤（指標訪問非法）。

　　這也就是說NULL值不一定要定義成0，起始只要定義在系統的保護範圍的地址空間內，比如定義成（0x00000001， 0x00000002）都會起到相同的作用，但是為了考慮到移植性，普遍定義為0 .

    2、問題：與指標相關的編程規則&規則分析

    指標既然這麼重要，而且容易出錯，那麼有沒有方法可以很好地減少這些指標相關問題的出現呢？

    答案與分析：

    減少出錯的根本是徹底理解指標。

    在方法上，遵循一定的編碼規則可能是最立竿見影的方法了，下面我來闡述一下與指標相關的編程規則：

    1） 未使用的指標初始化為NULL .

    2） 在給指標分配空間前、分配後均應作判斷。

    3） 指標所指向的內容刪除後也要清除指標本身。

　　要牢記指標是一個複合的資料結構這個本質，所以我們不論初始化和清除都要同時兼顧指標本身（上述規則1，3）和指標所指向的內容（上述規則2，3）這兩個方面。

　　遵循這些規則可以有效地減少指標出錯，我們來看下面的例子：

 void Test(void)
{
　char *str = (char *) malloc(100);
　strcpy(str, “hello”);
　free(str);
　if(str != NULL)
　{
　　strcpy(str, “world”);
　　printf(str);
　}
}

    請問運行Test函數會有什麼樣的結果？

    答：

    篡改動態記憶體區的內容，後果難以預料，非常危險。因為free（str）；之後，str成為野指標，if（str ！= NULL）語句不起作用。

    如果我們牢記規則3，在free（str）後增加語句：

    str = NULL；

    那麼，就可以防止這樣的錯誤發生。