[数据结构与算法]关于指针的若干思考

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本文我们操作的最小的数据存储单位是字节

变量和变量名

1.当我们声明一个变量的时候，内存中就为我们开辟了一块空间，用于储存之后赋予变量的值，此时内存要解决两个问题：1. 存在哪里，2.开辟多大的空间，其实这两个问题在我们的语句中都有：其中变量名告诉我们把内存空间开辟到哪里，但是其实这个说法也不准确，准确来说是经历了以下步骤

• 我们告诉了操作系统我们需要一块内存，这块内存的大小是int
• 操作系统根据实际情况为我们分配了一块空间，这块空间可能是一个字节，也可能是很多个字节，具体的看我们的数据类型。这种分配可以如下图的自动分配，也可以是使用malloc函数手动分配
• 当分配完成之后，操作系统会把分配空间的首地址和我们的变量名建立一个唯一映射，我们使用变量名就可以访问到这片内存空间中的值。

int i 

各种变量类型所占据的空间（按字节）

我的操作系统是64位的,各种数据类型所占据的空间（字节）如下

size of int is 4
size of long is 8
size of char is 1
size of float is 4
size of double is 8
size of int* is 8
size of char* is 8
size of int** is 8

注意所有不同数据类型的指针的大小都一样，无论是字符指针，整形指针，不同级数的指针大小也都一样，比如一级指针和二级指针，还有多级指针。但是为什么呢？因为我们说变量名是地址，而所有的变量，不管其内存多大，变量名都是等于该变量占据所有空间的首地址。所以所有指针的大小都是一样的

内存

内存是线性的，但是为了方便，我们通常把内存画成一个矩形，矩形的宽为一个字节，每一行都赋予一个唯一的地址，如图，每个小格子就是数据的最小存储单位，比特。每一行是一个字节。

定义变量和调用函数的内存行为

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

int main(){
	int a = 1234 ;
	int b = 5678 ;
	swap(&a,&b);
}

以上是一个经典的交换函数，我在这里画了内存中的行为

	int a = 1234 ;
	int b = 5678 ;

这两条语句会在内存中开辟两个int空间（8字节），同时在对应的比特位填充数据。当我们调用swap函数的时候

swap(&a,&b);

我们在内存中开辟两个指针空间（8字节）用于接受传进来的地址。

从访问权限看函数传参

1. 如果函数是值传递，那么我们对该值的权限只有读，我们可以使用printf函数输出值，可以将值作为运算数进行运算
2. 如果传的的是一个指针p，那么我们对该指针指向的对象*p具有读写的权限，我们可以改变其值，比如上面的swap函数就是地址传递

指针变量的赋值

指针之间的赋值相当于共享某空间的地址，参看下面代码

    int a=10;
    int* p = &a;
    int* q = p;
    printf("[*p] is %d,[&p] is %p\n",*p,p);
    printf("[*q] is %d,[&q] is %p\n",*q,q);

以上代码的输出是

[*p] is 10,[&p] is 0x7ffe0458c994
[*q] is 10,[&q] is 0x7ffe0458c994

如果要修改指针本身所指向的地方，我们需要使用二级指针,比如下面，指针p，q，r可以修改变量a的值，pp，qq，rr可以修改p，q，r指针的内容，换言之修改指针的指向，比如现在我想让指针p指向一个新的变量，那么我们需要操作二级指针。

    int a= 10;
    int b= 20;
    int* p = &a;
    int** pp = &p;
    printf("%4s %4s  %14s %14s %14s%4s  %14s %14s %14s %14s\n","a","b","&a","&b","p","*p","&p","pp","*pp","&pp");
    
    printf("%4d %4d  %14p %14p %14p%4d  %14p %14p %14p %14p\n",a,b,&a,&b,p,*p,&p,pp,*pp,&pp);
    *p = 19;//change a
    printf("%4d %4d  %14p %14p %14p%4d  %14p %14p %14p %14p\n",a,b,&a,&b,p,*p,&p,pp,*pp,&pp);
    *pp = & b;//now p pointer to b
    printf("%4d %4d  %14p %14p %14p%4d  %14p %14p %14p %14p\n",a,b,&a,&b,p,*p,&p,pp,*pp,&pp);
    *p = 30;
    printf("%4d %4d  %14p %14p %14p%4d  %14p %14p %14p %14p\n",a,b,&a,&b,p,*p,&p,pp,*pp,&pp);

输出内容是

说说链表的malloc

在刚开始写链表的时候，我一直纠结一个问题，那就是为什么我们需要在创建链表的时候传递二级指针，如下，我们定义了一个结构体，然后写了一个创建链表的函数

typedef struct Node{
    int data;
    char name[20];
    char nodeName[5];
    struct Node* next;
    struct Node* pre;
}Node;

void Create(Node** node){
    (*node) = (Node*) malloc(sizeof (Node));
    (*node)->next=NULL;
    (*node)->pre=NULL;
    (*node)->data=0;
    strncpy((*node)->nodeName,"Head",5);
    strncpy((*node)->name,"Head",5);
}

为了解决这个问题，我们需要说说malloc函数，malloc函数会分配一块内存空间，然后返回一个指针，而注意，在这个过程中，我们需要修改的是指针的值，而我们说过，在函数的参数传递中。

如果想要改变变量的值，需要传递指针
如果想要改变指针的值，需要传递指针的指针，也就是二级指针

以下为了说明简便，我使用int**作为传递的指针类型，且看如下代码

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"

void Create(int** p){
    *p = (int*) malloc(sizeof (int ));
    *(*p)=20;
}

int main(){
    int* q;
    Create(&q);
    printf("%d",*q);
    
}

过程是这样的

1. int* q，创建一个int指针，但是这个指针指向未知
2. 通过函数传递二级指针，建立p和q的映射关系（*p=q）
3. 通过*p来改变q的值，接受malloc的返回值
4. 通过*(*p)来访问malloc的int空间，并且修改其值

如果把程序稍微改变一下，大家来观察下不同

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"

void Create(int** p){
	int* pointer = *p;
    pointer = (int*) malloc(sizeof (int ));
    *(pointer)=20;
}

int main(){
    int* q;
    Create(&q);
    printf("%d",*q);
    
}

看似小小的改变，但是产生了完全不同的结果

1. 创建int指针，但是不知道指针指向哪里
2. 通过函数传参建立了p和q的关系（p=*q）
3. 创建了一个局部int指针pointer指向*q，也就是未知的空间
4. 局部变量pointer接受malloc返回值
5. 访问局部变量pointer指向的地方，赋值。
   

我们发现其实q的值并没有发生变化，问题就出现在我们使用了int* pointer = *p;，我们需要修改的是p的值，所以我们需要传递p的指针，而p本身是一个int指针，所以我们需要传递二级int指针，而我们使用int* pointer = *p;语句，则是直接让我们的操作只能对q指向的位置空间操作，或者改变pointer的值，本操作直接令访问权限发生了变化。而且我们也不能在通过对pointer取地址运算重新操作*(Addrq)，我们之后的一切操作都是针对局部变量pointer（见上图）。

降低指针权限，安全操作

看了上面，那时不是就说明int* pointer = *p;语句就一无是处呢？很显然不是，因为指针的可以任意访问，所以指针级数越高，也就越危险。我们传递二级指针是为了可以接受malloc的值，而之后的操作，绝大部分时间，都是读操作，所以我们可以尝试在使用二级指针接受malloc返回值之后，进行指针降级操作。如下：

#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"

void Create(int** p){
    *p = (int*) malloc(sizeof (int ));
    int* pointer = *p;
    *(pointer)=20;
}

int main(){
    int* q;
    Create(&q);
    printf("%d",*q);
    
}

数组名和指针

在学习数组的时候我们知道，数组名其实就是指针，而对数组的下标索引操作，也可以使用指针的偏移来实现，比如

int a[10]={0};
//a[1] 和 *(a+1) 是等价的

函数指针

（未完待续。。。）

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