深入理解指针（1）

1. 内存和地址

1.1 内存

在讨论内存和地址之前，让我们从生活中的一个例子开始：假设你住在一个有100个房间的宿舍楼里，但这些房间没有编号。如果你的朋友来找你玩，他必须逐个房间寻找，这样效率很低。然而，如果我们根据楼层和房间的位置为每个房间编号，那么朋友只要知道房间号就能快速找到你。

将这个例子应用到计算机中，情况又如何呢？我们知道，计算机的CPU（中央处理器）在处理数据时，需要从内存中读取数据，并将处理后的数据存回内存。我们购买电脑时，通常看到的内存容量是8GB、16GB或32GB等。那么，如何高效管理这些内存空间呢？

实际上，内存被划分为一个个内存单元，每个内存单元的大小为一个字节。

计算机中常见的单位（补充）：

一个比特位可以存储一个二进制的位1或者0。

每个内存单元相当于一个学生宿舍，一个字节的空间内可以容纳8个比特位，就像宿舍里的八人间，每个人代表一个比特位。每个内存单元都有一个编号（相当于宿舍的门牌号），有了这个编号，CPU就可以快速找到特定的内存空间。

在生活中，我们把门牌号称为地址；在计算机中，内存单元的编号也被称为地址。在C语言中，地址被称为指针。

因此，我们可以理解为：内存单元的编号 == 地址 == 指针。

1.2 如何理解编址

CPU访问内存中的某个字节空间，必须知道这个字节空间在内存中的位置。由于内存中的字节数量庞大，因此需要对内存进行编址（就像给众多宿舍编号一样）。计算机中的编址并不是记录每个字节的地址，而是通过硬件设计完成的。

钢琴和吉他上并没有标注“剁、来、咪、发、唆、拉、西”这样的信息，但演奏者依然能准确找到每个琴弦的位置。这是为什么呢？因为制造商已经在乐器的硬件层面上设计好了，并且所有演奏者都知道这种约定。

首先，必须理解计算机内部有很多硬件单元，这些硬件单元需要协同工作。所谓的协同，至少需要能够进行数据传递。然而，硬件与硬件之间是独立的，那么如何通信呢？答案很简单，用“线”连接起来。

CPU和内存之间也有大量的数据交互，因此，两者也必须用线连接。不过，我们今天关注一组线，称为地址总线。硬件编址也是如此。我们可以简单理解，32位机器有32根地址总线，每根线只有两种状态，表示0或1（电脉冲的有无），一根线就能表示两种含义，两根线就能表示四种含义，依此类推。32根地址线就能表示2^32种含义，每种含义都代表一个地址。地址信息被下达给内存，内存就可以找到该地址对应的数据，并通过数据总线将数据传回CPU的寄存器。

2.1 取地址操作符（&）

理解了内存和地址的关系后，我们再回到C语言。在C语言中，创建变量实际上是在内存中申请空间。例如：

如上所示的代码创建了一个整型变量a，内存中申请了4个字节用于存放整数10，每个字节都有地址，如图所示，4个字节的地址分别是：

那么我们如何得到a的地址呢？这里需要学习一个操作符（&）——取地址操作符。

虽然整型变量占用4个字节，但我们只要知道第一个字节的地址，就可以顺藤摸瓜访问到4个字节的数据。

2.2 指针变量和解引用操作符（*）

2.2.1 指针变量

通过取地址操作符（&）得到的地址是一个数值，例如：0x006FFD70。这个数值有时也需要存储起来，以便后期使用。我们将这样的地址值存放在指针变量中。例如：

指针变量也是一种变量，这种变量用于存储地址，存放在指针变量中的值都被理解为地址。

2.2.2 如何拆解指针类型

这里pa左边写的是int，是在说明pa是指针变量，而前面的int是在说明pa指向的是整型（int）类型的对象。

如果有一个char类型的变量ch，ch的地址应该放在什么类型的指针变量中呢？

2.2.3 解引用操作符

我们将地址保存起来，未来是要使用的，那么如何使用呢？

在现实生活中，我们使用地址找到一个房间，在房间里可以取走或存放物品。

C语言中也是如此，只要拿到了地址（指针），就可以通过地址（指针）找到指向的对象。这里必须学习一个操作符——解引用操作符（*）。

上面的代码中第7行就使用了解引用操作符，pa的意思是通过pa中存放的地址找到指向的空间，pa实际上就是a变量；所以*pa = 0，这个操作是将a改成了0。

如果目的是把a改成0，直接写成a = 0;不就行了，为什么还要使用指针呢？实际上，这里是将a的修改交给了pa来操作，这样对a的修改就多了一种途径，写代码会更加灵活，后期慢慢就能理解了。

2.3 指针变量的大小

前面的内容我们了解到，32位机器假设有32根地址总线，每根地址线出来的电信号转换成数字信号后是1或者0，我们把32根地址线产生的二进制序列视为一个地址，那么一个地址就是32个bit位，需要4个字节才能存储。

如果指针变量是用来存放地址的，那么指针变量的大小就必须是4个字节的空间。

同理，64位机器假设有64根地址线，一个地址就是64个二进制位组成的二进制序列，存储起来需要8个字节的空间，指针变量的大小就是8个字节。

结论：

指针变量的大小与类型无关，只要是指针变量，在同一个平台下，大小都是一样的，为什么还要有各种各样的指针类型呢？

实际上，指针类型是有特殊意义的，我们接下来继续学习。

3.1 指针的解引用

对比以下两段代码，主要在调试时观察内存的变化。

调试时我们可以看到，代码1会将n的4个字节全部改为0，但代码2只是将n的第一个字节改为0。

结论：指针的类型决定了，对指针解引用时有多大的权限（一次能操作几个字节）。

例如：char的指针解引用只能访问一个字节，而int的指针解引用可以访问四个字节。

3.2 指针+-整数

我们可以看出，char类型的指针变量+1跳过1个字节，而int类型的指针变量+1跳过了4个字节。这就是指针变量的类型差异带来的变化。指针+1实际上是跳过一个指针指向的元素。指针可以+1，也可以-1。

结论：指针的类型决定了指针向前或向后移动一步的距离。

3.3 void* 指针

在指针类型中，有一种特殊的类型是void类型，可以理解为无具体类型的指针（或者称为泛型指针），这种类型的指针可以用来接受任意类型的地址。但是也有局限性，void类型的指针不能直接进行指针的+-整数和解引用的运算。

在上面的代码中，将一个int类型的变量的地址赋值给一个char类型的指针变量。编译器给出了一个警告（如下图），因为类型不兼容。而使用void类型就不会有这样的问题。

使用void*类型的指针接收地址：

VS编译代码的结果：

这里我们可以看到，void*类型的指针可以接收不同类型的地址，但无法直接进行指针运算。

那么void*类型的指针有什么用呢？

一般void*类型的指针用于函数参数部分，用来接收不同类型数据的地址，这样的设计可以实现泛型编程的效果。使得一个函数可以处理多种类型的数据，在《深入理解指针(4)》中我们会详细讲解。