C 中复杂指针的应用

概述

　　Joel Spolsky认为，对指针的理解是一种aptitude，不是通过训练就可以达到的。虽然如此，我还是想谈一谈这个C/C++语言中最强劲也是最容易出错的要素。

　　鉴于指针和目前计算机内存结构的关联，很多C语言比较本质的特点都孕育在其中，因此，本篇和第六、第七两篇我都将以指针为主线，结合在实际编程中遇到的问题，来详细谈谈关于指针的几个重要方面。

　　指针类型的本质分析

　　1、指针的本质

　　指针的本质：一种复合的数据类型。下面我将以下面几个作为例子进行展开分析：

　　a)、int *p;
　　b)、int **p;
　　c)、int (*parValue)[3];
　　d)、int (*pFun)();

　　分析：

　　所谓的数据类型就是具有某种数据特征的东东，比如数据类型char，它的数据特征就是它所占据的内存为1个字节, 指针也很类似，指针所指向的值也占据着内存中的一块地址，地址的长度与指针的类型有关，比如对于char型指针，这个指针占据的内存就是1个字节，因此指针也是一种数据类型，但我们知道指针本身也占据了一个内存空间地址，地址的长度和机器的字长有关，比如在32位机器中，这个长度就是4个字节，因此指针本身也同样是一种数据类型，因此，我们说，指针其实是一种复合的数据类型，

　　好了，现在我们可以分析上面的几个例子了。

　　假设有如下定义：

int nValue;
　　那么，nValue的类型就是int，也就是把nValue这个具体变量去掉后剩余的部分，因此，上面的4个声明可以类比进行分析：

　　a)、int *

　　*代表变量（指针本身）的值是一个地址，int代表这个地址里面存放的是一个整数，这两个结合起来，int *定义了一个指向整数的指针，类推如下:

　　b)、int **

　　指向一个指向整数的指针的指针。

　　c)、int (*)[3]

　　指向一个拥有三个整数的数组的指针。

　　d)、int (*)()

　　指向一个函数的指针，这个函数参数为空，返回值为整数。

　　分析结束，从上面可以看出，指针包括两个方面，一个是它本身的值，是一个内存中的地址；另一个是指针所指向的物，是这个地址中所存放着具有各种各样意义的数据。

　　2、对指针本身值的分析

　　下面例子考察指针本身的值（环境为32位的计算机）：

void *p = malloc( 100 );
　　请计算sizeof ( p ) = ?

char str[] = “Hello” ;
char *p = str ;
　　请计算sizeof ( p ) = ?

void Func ( char str[100])
{
请计算 sizeof( str ) = ? //注意，此时，str已经退化为一个指针，详情见
//下一篇指针与数组
}
　　分析：上面的例子，答案都是4，因为从上面的讨论可以知道，指针本身的值对应着内存中的一个地址，它的size只与机器的字长有关（即它是由系统的内存模型决定的），在32位机器中，这个长度是4个字节。

　　3、对指针所指向物的分析

　　现在再对指针这个复合类型的第二部分，指针所指向物的意义进行分析。

　　上面我们已经得到了指针本身的类型，那么将指针本身的类型去掉 “*”号就可得到指针所指向物的类型，分别如下：

　　a)、int

　　所指向物是一个整数。

　　b)、int*

　　所指向物是一个指向整数的指针。

　　c)、int ()[3]

　　()为空，可以去掉，变为int [3]，所指向物是一个拥有三个整数的数组。

　　d)、int ()()

　　第一个()为空，可以去掉，变为int (),所指向物是一个函数，这个函数的参数为空，返回值为整数。

　　4、附加分析

　　另外，关于指针本身大小的问题，在C++中与C有所不同，这里我也顺带谈一下。

　　在C++中，对于指向对象成员的指针，它的大小不一定是4个字节，这主要是因为在引入多重虚拟继承以及虚拟函数的时候，有些附加的信息也需要通过这个指针进行传递，因此指向对象成员的指针会增大，不论是指向成员数据，还是成员函数都是如此，具体与编译器的实现有关，你可以编写个很小的C++程序去验证一下。另外，对一个类的静态成员（static member，可以是静态成员变量或者静态成员函数）来说，指向它的指针只是普通的函数指针，而不是一个指向类成员的指针，所以它的大小不会增加，仍旧是4个字节。
　　指针运算符&和*

　　“&和*”，它们是一对相反的操作，’&’取得一个物的地址（也就是指针本身），’*’得到一个地址里放的物（指针所指向的物）。这个东西可以是值（对象）、函数、数组、类成员（class member）等等。

　　参照上面的分析我们可以很好地理解&与*。

　　使用指针的好处？

　　关于指针的本质和基本的运算符我们讨论过了，在这里，我想再笼总地谈一谈使用指针的必要性和好处，为我们今后的使用和对后面篇章的理解做好铺垫。简而言之，指针有以下好处：

　　1)、方便使用动态分配的数组。

　　这个解释我放在本系列第六篇中进行讲解。

　　2)、对于相同类型（甚至是相似类型）的多个变量进行通用访问。

　　就是用一个指针变量不断在多个变量之间指来指去，从而使得非常应用起来非常灵活，不过，这招也比较危险，需要小心使用：因为出现错误的指针是编程中非常忌讳的事情。

　　3)、变相改变一个函数的值传递特性。

　　说白了，就是指针的传地址作用，将一个变量的地址作为参数传给函数，这样函数就可以修改那个变量了。

　　4)、节省函数调用代价。

　　我们可以将参数，尤其是大个的参数（例如结构，对象等），将他们地址作为参数传给函数，这样可以省去编译器为它们制作副本所带来的空间和时间上的开销。

　　5)、动态扩展数据结构。

　　因为指针可以动态地使用malloc/new生成堆上的内存，所以在需要动态扩展数据结构的时候，非常有用；比如对于树、链表、Hash表等，这几乎是必不可少的特性。

　　6)、与目前计算机的内存模型相对应，可按照内存地址进行直接存取，这使得C非常适合于一些较底层的应用。

　　这也是C/C++指针一个强大的优点，我会在后面讲述C语言的底层操作时，较详细地介绍这个优点的应用。

　　7)、遍历数组。

　　据个例子来说吧，当你需要对字符串数组进行操作时，想一想，你当然要用字符串指针在字符串上扫来扫去。

　　…实在太多了，你可以慢慢来补充^_^。
　　指针本身的相关问题

　　1、问题：空指针的定义

　　曾经看过有的.h文件将NULL定义为0L，为什么？

　　答案与分析：

　　这是一个关于空指针宏定义的问题。指针在C语言中是经常使用的，有时需要将一个指针置为空指针，例如在指针变量初始化的时候。
C语言中的空指针和Pascal或者Lisp语言中的NIL具有相同的地位。那如何定义空指针呢？下面的语句是正确的：

char *p1 = 0;
int *p2;
if (p != 0)
{
...
}
p2 = 0;
　　也就是说，在指针变量的初始化、赋值、比较操作中，0会被编译器理解为要将指针置为空指针。至于空指针的内部表示是否是0，则随不同的机器类型而定，不过通常都是0。但是在另外一些场合下，例如函数的参数原型是指针类型，函数调用时如果将0作为参数传入，编译器则不能将其理解为空指针。此时需要明确的类型转换，例如：

void func (char *p);
func ((char *)0);
　　一般情况下，0是可以放在代码中和指针关联使用的，但是有些程序员（数量还不少呦！也许就包括你在内）不喜欢0的直白，认为其不能表示作为指针的特殊含义，于是要定义一个宏NULL，来明确表示空指针常量。这也是对的，人家C语言标准就明确说：“ NULL应该被定义为与实现相关的空指针常量”。但是将NULL定义成什么样的值呢？我想你一定见过好几种定义NULL的方法：

#define NULL 0
#define NULL (char *)0
#define NULL (void *)0
　　在我们使用的绝大多数计算系统上，例如PC，上述定义是能够工作的。然而，世界上还有很多其它种类的计算机，其CPU也不是Intel的。在某些系统上，指针和整数的大小和内部表示并不一致，甚至不同类型的指针的大小都不一致。为了避免这种可移植性问题，0L是一种最为安全的、最妥帖的定义方式。0L的含义是： “值为0的整数常量表达式”。这与C语言给出的空指针定义完全一致。因此，建议采用0L作为空指针常量NULL的值。

　　其实 NULL定义值，和操作系统的的平台有关， 将一个指针定义为 NULL， 其用意是为了保护操作系统，因为通过指针可以访问任何一块地址， 但是，有些数据是不许一般用户访问的，比如操作系统的核心数据。 当我们通过一个空(NULL)的指针去方位数据时，系统会提示非法， 那么系统又是如何知道的呢？？

　　以windows2000系统为例， 该系统规定系统中每个进程的起始地址（0x00000000）开始的某个地址范围内是存放系统数据的，用户进程无法访问， 所以当用户用空指针（0）访问时，其实访问的就是0x00000000地址的系统数据，由于该地址数据是受系统保护的，所以系统会提示错误(指针访问非法)。

　　这也就是说NULL值不一定要定义成0，起始只要定义在系统的保护范围的地址空间内，比如定义成(0x00000001, 0x00000002)都会起到相同的作用，但是为了考虑到移植性，普遍定义为0 。

　　2、问题：与指针相关的编程规则&规则分析

　　指针既然这么重要，而且容易出错，那么有没有方法可以很好地减少这些指针相关问题的出现呢？

　　答案与分析：

　　减少出错的根本是彻底理解指针。

　　在方法上，遵循一定的编码规则可能是最立竿见影的方法了，下面我来阐述一下与指针相关的编程规则：

　　1) 未使用的指针初始化为NULL 。

　　2) 在给指针分配空间前、分配后均应作判断。

　　3) 指针所指向的内容删除后也要清除指针本身。

　　要牢记指针是一个复合的数据结构这个本质，所以我们不论初始化和清除都要同时兼顾指针本身（上述规则1，3）和指针所指向的内容（上述规则2，3）这两个方面。

　　遵循这些规则可以有效地减少指针出错，我们来看下面的例子：

void Test(void)
{
　char *str = (char *) malloc(100);
　strcpy(str, “hello”);
　free(str);
　if(str != NULL)
　{
　　strcpy(str, “world”);
　　printf(str);
　}
}
　　请问运行Test函数会有什么样的结果？

　　答：

　　篡改动态内存区的内容，后果难以预料，非常危险。因为free(str);之后，str成为野指针，if(str != NULL)语句不起作用。

　　如果我们牢记规则3，在free(str)后增加语句：

str = NULL;
　　那么，就可以防止这样的错误发生。