[C++知识库]C语言_数组、指针和函数

数组、指针和函数

0、前言

之前大一的时候，学习C语言，学到数组的时候感觉还行，可以接受。但是学到指针和函数后，绕来绕去的，就开始懵圈了。

但是，指针的重要性不言而喻，检验C语言学得好不好，就看“指针和内存管理”了。

大一下之后呢，就一直学Java，虽说原理都是相近的，但是毕竟C的语法还是比较细的，而且最近因为一些原因呢，要用C语言实现算法，所以抽空补补了C的基础和语法，特此记录一下。

1、数组的内存中的存储

那些简单的数组定义、初始化等比较简单就不说明，我们重点来看数组在内存中的存储。

在此，我们先来补充一下内存地址原理，其实这个知识点是《计算机组成原理》的内容，在此简单提一下，顺带补充一句，基础很重要，小伙伴们要重视基础哦！

假设我们的机子32位，则会使用4字节来存储地址，例如”0x11223344”；若为64位，则用8字节来存储地址，例如“0x1122334455667788”。

以32位机为例：

接着，我们先写一段很简单的程序，然后我们再来看，VS2022调试中的内存映像。

#include<stdio.h>

int main() {
	int arr[5] = { 11,22,33,44,55 };
	for (int i = 0; i < 5; i++) {
		printf("%d\n", arr[i]);
	}

	return 0;
}

内存映像：

通过内存映像我们可以很清楚的看到，例如：

• 一个int类型确实占4字节
• 数组在内存中是顺序存放的，大小根据元素的类型和个数决定
• 数组名就是数组的首地址，也就是数组第一个元素的地址

2、指针

2.1、指针和指针变量

指针：一个变量的地址称为该变量的指针，也就是说，指针就是变量的地址。

指针变量：用来存放为“地址”的变量。

int num = 18;
int *point = #

假设32位机，num存放的地址为“0x 11 22 33 44”。

我们就说，变量num的地址（指针）是“0x 11 22 33 44”；指针变量point的值是“0x 11 22 33 44”。

我们都知道int类型的变量num占4个字节（32位机），那么指针变量point占多大的空间呢？答若为32位机，寻址范围为32位即4字节；若为64位机，则寻址范围为64位即8字节。

2.2、操作符

1. 取地址操作符为“&”，也称“引用”，通过该操作符我们可以获取一个变量的地址值；

2. 取值操作符为“*”，也称“解引用”，通过该操作符我们可以得到一个地址对应的数据。

#include<stdio.h>

int main() {

	int num = 15;
	int* point = &num;

	printf("num: %d\n", num);
    //若编译器不支持%p，可以用%u、%lu来代替
	printf("&num: %p\n",&num);
	printf("point: %p\n",point);
	printf("*point: %d\n",*point);

	return 0;
}
/*
结果：
num: 15
&num: 00EFFCBC
point: 00EFFCBC
*point: 15
*/

2.3、指针操作

2.3.1、指针和整数相加减

我们以加法为例，减法同理。

#include<stdio.h>

int main() {
	int arr[5] = { 1,2,3,4,5 };
	int* point = arr;
    
	printf("%p\n", point);
	printf("%p\n", point+2);
	printf("%d\n", *point);
	printf("%d\n", *(point+2));
	
	return 0;
}
/*
结果：
00DDFD00
00DDFD08
1
3
*/

0x 00 DD FD 00 -- 0x 00 DD FD 08，一共是相差8个字节，即两个int类型变量所占的空间

用"+"运算符把指针和整数相加（相减），整数都会和指针所指向类型的大小相乘（以字节为单位），再将结果与初始地址相加。
即，0x00DDFD00 + 2 * 4Byte = 00DDFD08

point + 2后的值就是arr[2]的地址，即(point + 2)与&arr[2]等价

2.3.2、指针递增

#include<stdio.h>

int main() {
	int arr[5] = { 1,2,3,4,5 };
	int* point = &arr[2];

	printf("%p\n", point);
	printf("%d\n", *point);
	printf("%p\n", ++point);
	printf("%d\n", *point);
	
	return 0;
}
/*
结果：
00F8FE78
3
00F8FE7C
4
*/

0x 00 F8 FE 78 --- 0x 00 F8 FE 7C，一共相差4个字节

一开始point指向arr[2]，其值为"00F8FE78"；而后point递增后指向arr[3]，其值为"00F8FE7C"

所以，point++相当于把point的值加上4，即 加上(1 * 4 Byte)

2.3.3、指针求差

#include<stdio.h>

int main() {
	int arr[5] = { 1,2,3,4,5 };
	int* point01 = &arr[2];
	int* point02 = &arr[5];

	printf("%p\n", point01);
	printf("%p\n", point02);
	printf("%d\n", point02 - point01);

	return 0;
}
/*
结果：
006FFB38
006FFB44
3
*/

0x 00 6F FB 38 --- 0x 00 6F FB 44，一共相差12个字节

point02 - point01 得3，意思是两个指针所指向得两个元素之间相差3个int，即12个字节

2.3.4、& 和 * 同时使用

//若有此语句
int a = 18;
int* point = &a;

&*point 和 *&a 的含义和区别

“&”和“*”两个运算符的优先级别相同，但要按自右向左的方向结合。

因此，&* point 与 &a 相同，都表示变量a的地址，也就是point。

而*&a，首先进行&a运算，得到a的地址，再进行*运算。*&a和*point的作用是一样的，它们都等价于变量a，即*&a 与a等价。

2.4、指针类型与地址

地址应该和指针类型兼容，也就是说，我们不能把int型变量的地址赋值给指向double类型的指针，只能将int型变量的地址赋值给指向int类型的指针变量中。

用代码表示如下：

int num01 = 18;
double num02 = 3.14;
int* point01 = &num01;		//正确，歪瑞good
double* point02 = &num01; 	//毫无意义而且会出错
double* poinr03 = &num02;	//正确，歪瑞good

我们在开发过程中，应该避免出现这种问题。

但是，如果硬要这么做的话，又有什么影响呢？

其实是可以赋值的，但是会出现数据截断等错误，而且不能进行指针操作，由于篇幅所限，详情请看《C语言_地址与指针类型不兼容造成的影响》。

3、函数

3.1、全局变量和局部变量

#include<stdio.h>

int i = 18;	// 全局变量

void print(int a) {
	printf("print -- &a = %p\n", &a);
	printf("print -- a = %d\n", a);
}

int main() {
	printf("main -- &i = %p\n", &i);
	printf("main -- i = %d\n", i);

	print(i);

	int i = 5;	//局部变量
	printf("main -- &i = %p\n", &i);
	printf("main -- i = %d\n", i);

	print(i);
	return 0;
}

全局变量i存储在数据段，所以main函数和my_print函数都是可见的。

全局变量不会因为某个函数执行结束而消失，在整个进程的执行过程中始终有效，因此开发中应尽量避免使用全局变量!

我们在函数内定义的变量都称为局部变量，局部变量存储在自己的函数对应的栈空间内，函数执行结束后，函数内的局部变量所分配的空间将会得到释放。

如果局部变量与全局变量重名，那么将采取就近原则，即实际获取和修改的值是局部变量的值。

3.2、堆空间和栈空间的差异

我们用一个例子来看一看栈空间和堆空间的差异。

#include <stdio.h>

char* print_stack()
{
	char c[17] = "I am print_stack";
	puts(c);//能正常打印
	return c;
}

char* print_malloc()
{
    //malloc是在堆空间中开辟一块内存
	char* p = (char*)malloc(30);
	strcpy(p, "I am print_malloc");
	puts(p);
	return p;
}

int main()
{
	char* p;
	p = print_stack();//栈空间会随着函数的执行结束而释放,相当于p=c
	puts(p);//打印不出来
	p = print_malloc();//堆空间不会随子函数的结束而释放，必须自己free
	puts(p);
	free(p);
	return 0;
}

4、函数、数组和指针

假设我们有一个需求，是要对数组进行求和，我们可以怎样定义函数呢？

#include<stdio.h>
#define NUM 10

int getSum01(int arr[], int num);

int getSum02(int* arr, int num);

int getSum03(int* start, int* end);

int main() {
    int arr[NUM] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };
    int* point = arr;
    int result01 = getSum01(arr, NUM);
    int result02 = getSum02(point, NUM);
    int result03 = getSum03(point, point + NUM);
    printf("result01 = %d\n", result01);
    printf("result02 = %d\n", result02);
    printf("result03 = %d\n", result03);
    return 0;
}

int getSum01(int arr[], int num) {
    printf("getSum01：arr = %p\n", arr);
    int result = 0;
    for (int i = 0; i < num; i++) {
        result += arr[i];
    }
    return result;
}

int getSum02(int* arr, int num) {
    printf("getSum02：arr = %p\n", arr);
    int result = 0;
    for (int i = 0; i < num; i++) {
        result += *(arr + i);
    }
    return result;
}

int getSum03(int* start, int* end) {
    printf("getSum03：start = %p\n", start);
    printf("getSum03：end = %p\n", end);
    int result = 0;
    while (start < end) {
        result += *start;
        /*
         * 让指针指向下一个元素
         * 指针++并不是指向下一个字节的地址；
         * 而是指向下一个元素的地址，增量依据类型而定
         */
        start++;
    }
    return result;
}


/*
结果：
getSum01：arr = 006FFB30
getSum02：arr = 006FFB30
getSum03：start = 006FFB30
getSum03：end = 006FFB58
result01 = 55
result02 = 55
result03 = 55
*/

int getSum01(int arr[], int num);
int getSum02(int* arr, int num);
int getSum03(int* start, int* end);

从输出的结果可以出，以上三个函数是等价的！

之前，我们也说过，数组名就是数组首元素地址。

无论是将函数形参定义成“数组”亦或是“指针”，我们传入的“数组名”亦或是“指针”，其实在底层最后传的都是“指针”，也就是“地址”，对应到本例就是“数组首元素的地址”。

这样也就能明白，为什么我们定义函数时需要两个形式参数，即“数组地址”和“数组大小”。

因为在函数实现中，我们并不知道数组的长度，盲目运算可能会造成空指针异常，因此我们要手动地传入“数组长度”。当然，我们也可以传入“数组首地址”和“数组尾地址”，其实原理都是一样的。

emmm，大概就唠这么多吧，最近发现基础真的重要！！！

注：如有错误，敬请指正！！！

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