C语言-指针用法概述

目录

本文主要作为指针用法的复习，会对指针的大致用法进行举例和概述。

1.指针基础概念

• ​什么是指针​：指针是一种变量，它存储的是另一个变量的内存地址，而不是数据本身。这允许你通过地址间接访问和操作数据。
• ​声明指针​：声明指针时，需要在数据类型后跟一个星号 *。例如 int *p;声明了一个指向整型的指针 p。
• ​取地址与解引用​：
  • 使用取地址运算符 &可以获取变量的地址。例如，int a = 10; int *p = &a;使得指针 p指向变量 a的地址。
  • 使用解引用运算符 *可以访问指针所指向地址中存储的值。例如，printf("%d", *p);会输出 a的值 10。

2. 指针与数组

        C语言中数组名通常可被当作指向其首元素的指针使用。

int arr[3] = {1, 2, 3};
int *p = arr; // p 指向 arr[0]
printf("%d", *(p + 1)); // 输出 arr[1] 的值 2

        指针可以通过算术运算（如 +、-、++、--）来遍历数组，单位是所指向类型的大小（例如 int指针每次移动通常为4字节）。

3. 指针作为函数参数

        通过向函数传递指针（即变量的地址），可以在函数内部修改调用函数中的变量值，实现“引用传递”。

void swap(int *a, int *b) {
    int temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

int main() {
    int x = 1, y = 2;
    swap(&x, &y); // 交换后 x=2, y=1
}

        当需要向函数传递数组时，通常传递数组名（即首元素地址）和数组长度。使用 const限定符可以保护指针所指向的数据在函数内不被修改。

4. 动态内存分配

        C语言允许在程序运行时动态地申请和释放内存，这类内存分配在堆上进行。

• ​**malloc​：分配指定字节数的内存，​不初始化**内存内容，返回 void*。

int *p = (int*)malloc(5 * sizeof(int)); // 分配容纳5个整数的空间
if (p == NULL) { /* 处理分配失败 */ }

• calloc​：分配指定数量、特定类型的内存空间，并初始化为0​。

int *p = (int*)calloc(5, sizeof(int)); // 分配并初始化5个整数为0

• **realloc**​：调整之前通过 malloc, calloc或 realloc分配的内存块的大小。

• free​：​必须用于释放之前动态分配的内存，否则会导致内存泄漏。释放后最好将指针置为 NULL，以避免“悬空指针”。

  free(p);
  p = NULL;

5. 指针的高级用法

• 多级指针​：指向指针的指针，例如 int **pp是指向 int*的指针，常用于动态二维数组或需要修改指针本身值的场景。
• 函数指针​：指向函数的指针，允许动态调用函数，常用于回调机制。

int add(int a, int b) { return a + b; }
int (*funcPtr)(int, int) = add; // 声明并初始化函数指针
printf("%d", funcPtr(2, 3)); // 通过指针调用函数，输出5

•​**const与指针**​：

• const int *p或 int const *p：指向常量数据的指针，​不能通过 p修改所指数据，但可以改变 p的指向。
• int *const p：指针本身是常量，​**p的指向不能变**，但可以通过 p修改所指数据。
• const int *const p：指针本身和所指数据都不可变。

6. 常见错误与注意事项

• 未初始化的指针（野指针）​​：声明指针后未赋予有效地址前就使用，可能导致程序崩溃。​务必初始化，例如设为 NULL。
• 悬空指针​：指针指向的内存已被释放，但指针仍在被使用。​**释放内存后应将指针置为 NULL**​。
• 内存泄漏​：分配的内存未被释放且失去对其的引用，导致内存浪费。确保 ​**malloc/calloc与 free成对出现**​。
• ​越界访问​：访问了分配内存范围之外的空间，行为不可预知。​确保访问在合法范围内​。

7. 指针数组 vs. 数组指针

对于我们新手来说特别难搞清楚他们的区别，理解它们的区别很重要：

理解指针数组（Array of Pointers）和数组指针（Pointer to Array）的区别确实是C语言学习中的一个重点和难点。下面我将通过一个表格帮你快速梳理它们的核心差异，然后进行详细解释。

深入理解两者

1. 指针数组（Array of Pointers）

指针数组的本质是一个数组，但这个数组里的每个元素都不是普通的数据，而是一个指针变量，这些指针可以指向相同或不同类型的地址。

• ​声明与初始化​

  语法格式为：数据类型 *数组名[数组长度];

  #include <stdio.h>
  
  int main() {
      int a = 10, b = 20, c = 30;
      // 声明并初始化一个指针数组，元素是int指针
      int *ptr_arr[3] = {&a, &b, &c}; 
  
      // 遍历指针数组，通过解引用访问所指的值
      for (int i = 0; i < 3; i++) {
          printf("ptr_arr[%d] = %d\n", i, *ptr_arr[i]);
      }
      return 0;
  }

  输出：

  ptr_arr[0] = 10
  ptr_arr[1] = 20
  ptr_arr[2] = 30

• ​常见应用场景​

  • ​管理多个字符串​：这是指针数组非常常见的用途，可以高效地处理一堆长度不一的字符串。

    char *str_arr[] = {"Hello", "World", "C", "Programming"}; // 初始化字符串指针数组
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        printf("%s ", str_arr[i]);
    }
    // 输出: Hello World C Programming

  • ​动态内存管理​：当需要动态分配多个独立的内存块时，可以用指针数组来存储这些内存块的地址。

  • ​命令行参数​：C语言中的main函数参数char *argv[]就是一个典型的指针数组，用于存储命令行输入的字符串参数。

2. 数组指针（Pointer to Array）

数组指针的本质是一个指针，但它不是指向单个变量，而是指向整个数组。

• ​声明与初始化​

  语法格式为：数据类型 (*指针名)[数组长度];​注意括号是必须的，它保证了*先与指针名结合。

  #include <stdio.h>
  
  int main() {
      int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
      // 声明一个数组指针，指向包含5个int的数组
      int (*arr_ptr)[5] = &arr; // 取数组的地址赋给数组指针
  
      // 通过数组指针访问数组元素
      for (int i = 0; i < 5; i++) {
          printf("%d ", (*arr_ptr)[i]); // 先解引用arr_ptr得到数组，再通过下标访问
      }
      return 0;
  }

  输出：

  1 2 3 4 5

• ​常见应用场景​

  • ​处理二维数组​：数组指针在遍历和理解二维数组时特别有用，它可以表示二维数组中的一行。

    int matrix[2][3] = {{1, 2, 3}, {4, 5, 6}};
    // 数组指针，指向一个包含3个int的数组（即一行）
    int (*row_ptr)[3] = matrix; // matrix是首行地址，可直接赋值
    
    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        for (int j = 0; j < 3; j++) {
            printf("%d ", row_ptr[i][j]); // 像二维数组一样访问
            // 等价于 *(*(row_ptr + i) + j)
        }
        printf("\n");
    }

    输出：

    1 2 3 
    4 5 6

  • ​向函数传递二维数组​：当函数需要接收一个二维数组时，使用数组指针可以明确列数。

如何快速区分声明？

记住一点：​​“看括号和优先级”​。

• int *p[5];：[]的优先级高于*，所以p先与[5]结合，说明p是一个数组，里面存放的是int*类型。这是指针数组。
• int (*p)[5];：括号()改变了优先级，*先与p结合，说明p是一个指针，它指向一个int [5]类型的数组。这是数组指针。

注意事项

1. ​匹配类型和长度​：对于数组指针，其指向的数组类型和长度必须严格匹配。例如，int (*p)[5]只能指向包含5个整数的数组。
2. ​初始化​：使用指针数组时，务必确保其中的每个指针都指向有效的内存地址，避免野指针。
3. ​内存管理​：如果指针数组的元素指向动态分配的内存，记得在使用完毕后释放这些内存，防止内存泄漏。

小总结

简单来说：

• ​指针数组​：是一个仓库（数组）​，里面放着很多把钥匙（指针）​，每把钥匙可以打开不同的房间。
• ​数组指针​：是一把特殊的钥匙（指针）​，这把钥匙对应着一整排连续的仓库（整个数组）​。

希望这些解释和例子能帮助你清晰地区分指针数组和数组指针。

8.总结与建议

        指针是C语言的精髓，提供了直接操作内存的强大能力和灵活性，常用于动态内存管理、数组操作、函数参数传递以及构建复杂数据结构（如链表、树）。同时，指针的使用也伴随着风险，需要谨慎处理内存管理和避免常见陷阱。

​最佳实践​：

• ​始终初始化指针，若暂时不知指向何处，可初始化为 NULL。
• ​检查动态内存分配​（如 malloc, calloc）的返回值是否为 NULL，以防分配失败。
• 确保分配的内存及时释放，并**在释放后将指针置为 NULL**​。
• ​使用 const限定符保护不应被修改的数据，增强代码健壮性。
• 利用工具​（如 Valgrind）检查内存泄漏和非法访问。

希望以上梳理能帮助你更好地理解C语言中的指针。

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