C语言进阶:指针进阶

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这是我参与11月更文挑战的第11天,活动详情查看:2021最后一次更文挑战

指针进阶

我们在初阶时就已经接触过指针,了解了指针的相关内容,有:

  • 指针定义:指针变量,用于存放地址。地址唯一对应一块内存空间。
  • 指针大小:固定32位平台下占4个字节,64位8个字节。
  • 指针类型:类型决定指针±整数的步长及指针解引用时访问的大小。
  • 指针运算:指针解引用,指针±整数,指针-指针,指针关系运算。

本章节在此基础上,对C语言阶段指针进行更深层次的研究。

字符指针

字符指针,存入字符的地址,类型为char *

字符指针的作用
  1. 指向单个字符变量
char ch = 'w';
const char* pch = &ch;
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这种很容易理解,就是指针解引用访问字符变量。

  1. 指向字符串首字符
char* pc = "hello";
printf("%s\n", pc);
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这种是把字符串"hello"放进指针嘛?

其实不然,类似于数组名,该指针存的是常量字符串"hello"的首字符的地址。通过对指针解引用访问首字符地址,从而找到整个字符串。

在这里插入图片描述

char* pc = "hello";
printf("%c\n", *(pc + 1));//e
printf("%s\n", pc);//hello
printf("%s\n", pc + 1);//ello
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字符串本质上还是在空间上连续存放,所以指针±整数同样有访问的效果。由此也可以看出%s的用法,把地址给%s会将其后的内容看作字符串并打印直到\0 。(所以我猜测%s的s是string的意思)

字符指针的特点

例题

char str1[] = "hello bit";
char str2[] = "hello bit";

char* str3 = "hello bit";
char* str4 = "hello bit";

if (str1 == str2)
    printf("str1 = str2\n");//1
else
    printf("str1 != str2\n");//2

if (str3 == str4)
    printf("str3 = str4\n");//3
else
    printf("str3 != str4\n");//4
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str1(3)==str2(4),比较的是二者其实位置地址是否相同。(地址才是真正判断二者是否相同的要素)

答案是2和3。因为1和2是用字符串初始化数组,3和4是指针指向常量字符串。

  • str1和str2是普通的数组,是在内存上开辟了两块空间不过存放了一样的数据。
  • str3和str4指向常量字符串,存放在内存的常量区,是不可被修改且具有唯一性即常量区只存放一个。所以str3和str4指向的都是同一个字符串。

在这里插入图片描述

常量区的存储特点:存放在常量区的数据不可被修改,正因为不可修改所以存一份就够了。后期如果需要,使用的是同一数据。(数据还是同一个数据,只是用不同的指针维护)

总结

  1. 常量字符串不可被修改,存放在内存的常量区。
  2. 具有唯一性即常量区只存放一个。
指针数组
指针数组的定义
int arr[10];//整型数组
char ch[5];//字符数组
float f[20];//浮点型数组
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可见,元素类型也就是数组的“类型”。

char* pch[5];
int* parr[10];
float* pf[20];
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指针数组就是存放指针的数组。

int arr[10];
int* arr[10];
复制代码

整型数组的数组名arr,即首元素地址,是一级指针。

指针数组的数组名parr,也是首元素地址,不过其首元素为int*类型变量,所以parr就是二级指针。

指针数组的使用
int arr1[] = { 1,2,3,4,5 };
int arr2[] = { 2,3,4,5,6 };
int arr3[] = { 3,4,5,6,7 };

int* parr[] = { arr1,arr2,arr3 };

for (int i = 0; i < 3; i++) {
    for (int j = 0; j < 5; j++) {
        //1.
        printf("%d ", parr[i][j]);
        //2.
        printf("%d ", *(*(parr + i) + j));
    }
    printf("\n");
}
//答案
1 2 3 4 5
2 3 4 5 6
3 4 5 6 7
ps:
parr[i] <==> *(parr+i) 
*(parr[i]+j) <==> *(*(parr+i)+j) <==> (*parr+i)[j] <==> parr[i][j]
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通过指针数组访问整型数组的每个元素。parr[i][j]*(*(parr+i)+j)本质上是等价的。

const char* pch[] = { "abcde", "bcdef", "cdefg" };
for (int i = 0; i < 3; i++) {
    //1.
    printf("%s", pch[i]);
    //2.
    printf("%s", *(pch + i));
    for (int j = 0; j < 5; j++) {
        //3.
        printf("%c", pch[i][j]);
        //4.
        printf("%c", *(*(pch + i) + j));
    }
    printf("\n");
}
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打印字符串使用%s更简单,若要使用%c,就是得到每个字符串的起始地址,分别向后访问。

从这里也可以看出数组和指针的关系,我愿称之为*[]的爱恨情仇!

 

数组指针

由前面的例子,不难得出,数组指针是指向数组的指针,是指针而非数组。

数组指针的定义
char ch = 'w';
char* pch = &ch;//字符地址存放在字符指针中

int a = 10;
int* pint = &a;//整型地址存放在整型指针中

float f = 0.0;
float* pf = &f;//浮点型地址存放在浮点型指针中
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什么变量的地址存放在什么指针中。指针指向变量的类型,决定了指针的类型。顾名思义,数组指针指向的是数组。

递推可得,数组的地址存放在数组指针中。且数组指针的类型为数组的类型再加个*

下面那种定义方法是对的呢?

int arr[10] = { 0 };
//1.
int* pa = arr;
//2.
&arr;//整个数组的地址
int* parr = &arr;
//3.
int* parr[10] = &arr;
//4.
int(*parr)[10] = &arr;
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  1. 取出的是首元素的地址,而非整个数组的地址
  2. 整型指针应存放整型变量的地址,数组的地址无法存入整型指针中。
  3. []的优先级比*高,故parr先与[]结合成数组名,所以parr是个指针数组。

数组指针的类型由数组类型决定,先找出数组的类型int[10](去掉名就是类型)。且不能让[]先与parr结合,所以用()先将parr*结合,即成int(*parr)[10]

C语言规定[]必须再最后面,所以不可写成int[10](*parr)

int* parr[10];//指针数组
int(*parr)[10];//数组指针
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我们前面强调过,去掉名字就是类型。所以int[10]是整型数组的类型,int*[10]是指针数组的类型,int(*)[10]是数组指针的类型。

&数组名和数组名

之前介绍过不止一遍,所以这次只说重点。

指针类型决定了指针±整数的步长。

//首元素地址+1
printf("%p\n", arr);//0073FCA4
printf("%p\n", arr + 1);//0073FCA8
//整个数组地址+1
printf("%p\n", &arr);//0073FCA4
printf("%p\n", &arr + 1);//0073FCCC
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  1. 首元素地址就是整型指针+1,自然只能向后访问4shou个字节
  2. 整个数组地址+1,即int(*)[10]型指针+1,向后访问了int×10int×10即40个字节。

sizeof(arr)也代表整个数组,现在去理解为什么sizeof里数组名代表的是整个数组呢?数组这种结构保存了数组的大小,sizeof求所占空间的长度,那自然要严谨一些了。

数组指针的使用

遍历数组,使用数组或是指针作形参接收就行了。且所谓的用数组接收仅是理解层面,本质上都是指针。

void Print1(int arr[], int sz) {
	for (int i = 0; i < sz; i++) {
		//printf("%d ", arr[i]); 
		printf("%d ", *(arr + i));
		
	}
}
void Print2(int* arr, int sz) {
	for (int i = 0; i < sz; i++) {
		printf("%d ", arr[i]);
		//printf("%d ", *(arr + i));
	}
}
int main() {
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
	Print1(arr, sz);
	Print2(arr, sz);
	return 0;
}
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反面用例

数组作实参,用数组或指针接收即可。数组指针使用对了很好用,但如果随便用可能会很别扭。下面先介绍强行使用数组指针的用法。

//错误示范
void Print3(int(*pa)[10], int sz) {
	for (int i = 0; i < sz; i++) {
		//printf("%d ", pa[i]);
		printf("%d ", *(pa + i));
	}
}
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将整个数组地址传过去,则用数组指针接收,然后呢,直接对pa解引用吗?

在这里插入图片描述

结果显然是错误的,从结果中也可以看出打印的是十进制下的地址,+1跳过40个字节。

这里笔者在学习的时候产生了个疑问,传过去数组的地址,为什么解一层引用后还是地址呢?

&arr解引用*后相当于找到首元素的地址,可以理解为&*相互抵消只剩下arr不就是首元素的地址嘛~

void Print4(int(*pa)[10], int sz) {
	for (int i = 0; i < sz; i++) {
		printf("%d ", *(*(pa)+j));
	}
}
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倘若我们把一维数组看作是二维数组第一行。由于二维数组在内存中是连续存放的,我们只打印二维数组的第一行,便可以避免上面的错误。

在这里插入图片描述 style="zoom:80%;" />

*(pa)相当于数组指针所指向数组的数组名。数组指针指向整个数组,将其看作二维数组并解引用得到一行的首元素,从而遍历访问。

正面用例

从上面的例子也可以看出,用数组指针访问二维数组时,效果便不错。

//二维数组传参,用二维数组接收
void Print1(int arr[3][5], int r, int c) {
	for (int i = 0; i < r; i++) {
		for (int j = 0; j < c; j++) {
			//printf("%d ", arr[i][j]);
			printf("%d ", *(*(arr + i) + j));
		}
		printf("\n");
	}
}
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上面的例子,是正常二维数组传参,二维数组接收的情况。下面我们用数组指针接收。

//二维数组传参,用数组指针接收
void Print2(int(*pa)[5], int r, int c) {
	for (int i = 0; i < r; i++) {
		for (int j = 0; j < c; j++) {
            //1.
            printf("%d ", pa[i][j]);
            //2.
			printf("%d ", *(*(pa + i) + j));
		}
		printf("\n");
	}
}
int main()
{
	int arr[3][5] = { 1,2,3,4,5, 2,3,4,5,6, 3,4,5,6,7 };
	Print2(arr, 3, 5);//二维数组首元素是首行
    
	return 0;
}
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  • 把二维数组想象成一个拥有三个元素的一维数组(每个元素也为一维数组),即一维数组的一维数组。
  • 由于其每个元素是有5个元素的一维数组,数组指针定义为int(*p)[5],指向首行这个“一维数组”。(传参穿的是数组名)
  • 第一层循环用于“跳行”,即每次跳过5个元素。第二层循环遍历每行“一维数组”。

在这里插入图片描述

  1. 用二维数组和数组指针接收的都是首行地址。
  2. 数组指针的类型int(*)[5],和二维数组首元素地址的类型相同。

故可得,二维数组首元素地址和数组指针是等价的,即数组指针pa就是数组名

二维数组首元素为其首行,相当于一个一维数组,该一维数组的地址类型为int(*)[5]。且实参为二维数组名,降级为指向首行的指针,所以它是数组指针,类型为int(*)[5]

数组指针指向二维数组,才是使用数组指针的正确示范。

Example

下列示例分别是什么?

//1.
int arr[5];
//2.
int *pa1[5];
//3.
int (*pa2)[10];
//4.
int (*pa3[10])[5];
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  1. 整型数组
  2. 存放整型指针的数组

*靠左靠右无所谓,pa1先和[]结合为数组,剩下int*为数组元素类型。

  1. 指向整型数组的指针

(*pa2)*先和pa2结合为指针,剩下int[10],指向的是元素个数为10的整型数组。

  1. 存放数组指针的数组

在这里插入图片描述

pa3先和[10]结合为数组,剩下int(*)[5]是指向数组的指针为数组的元素。所以是个元素个数为10的数组指针数组。

逆向思考,有整型数组arr[5]和指向该数组的类型为int(*)[5]的数组指针,还有数组指针数组pa3[10]用于存放该数组指针。

在这里插入图片描述

类型辨别方法
  1. 若名称先和[]结合为数组,只去掉数组名就是数组类型,去掉[n]和数组名便是其元素的类型。
  2. 若名称先和*结合为指针,只去掉指针名就是指针类型,去掉*和指针名便是指向的变量的类型。

 

数组传参和指针传参

实践之中不免会碰到数组和指针作函数参数而如何设计形参的问题。

一维数组传参

一维数组传参,下列接收方式是否可行呢?

//1.
void test(int arr[]) 
{}
//2.
void test(int arr[10]) 
{}
//3.
void test(int* arr) 
{}
int main()
{	
	int arr[10] = { 0 };
	test(arr);
	return 0;
}
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  1. 数组传参数组接收,可行但其实都会降级优化成指针,编译器不会真正创建一个数组。

  2. 由于形参数组形同虚设,所以数组大小无意义,任意大小或无。(有歧义)

  3. 数组传参本质就是首元素地址,首元素类型为int,所以指针的类型为int*

所以可以看出[]*()是等价的。我愿称之为*[]的爱恨情仇!(‐^▽^‐)

//1.
void test2(int* arr[2])
{}
//2.
void test2(int** arr) 
{}
int main()
{	
	int* arr2[10] = { 0 };
	test2(arr2);
	return 0;
}
复制代码

指针数组,每个元素类型为int*,故用二级指针接收数组名。

一维数组传参,数组和指针接收。

二维数组传参
//1.
void test(int arr[3][5]) 
{}
//2.
void test(int arr[][])
{}
//3.
void test(int arr[][5])
{}
int main() {
	int arr[3][5] = { 0 };
	test(arr);
}
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  • 二维数组传参用二维数组接收,行可省略,但列不可以
//4.
void test(int* arr)
{}
//5.
void test(int* arr[5])
{}
//6.
void test(int(*arr)[5])
{}
//7.
void test(int** arr)
{}
int main() {
	int arr[3][5] = { 0 };
	test(arr);
}
复制代码
  1. 整型指针接收的应该是整型变量的地址,而二维数组数组名为首行的数组地址。
  2. 指针数组和二维数组无关。
  3. 二维数组传参用首行数组大小的数组指针接收。
  4. 二级指针和二维数组无关。
  • 二维数组数组名arr为首行“一维数组”的地址,数组的地址用数组指针接收。

int(*)[5]型数组指针指向元素个数为5的一维数组。指针+1访问到下一行,每次跳一行。再解一层引用访问一行里每个元素。

一级指针传参

反向思考,若函数形参为指针,传参时实参可以如何设计呢?

void test(int* ptr, int sz)
{}
void test(int arr[],int sz)
{}
int main()
{
    //1.
    int a = 10;
    test(&a);
    //2.
	int arr[10] = { 0 };
	test(arr);
	return 0;
}
复制代码
  • 一级指针传参,形参用指针和数组都行,但不提倡用一维数组。
  • 若形参为指针,实参也可以是指针(地址),也可以是数组。
二级指针传参

当二级指针作参数时,形参如何设计呢?

void test(int** pp) {
	printf("%d\n", **pp);
}
void test(int* arr[]) {//用法不好
	printf("%d\n", *arr[0]);
}
int main() {
	int a = 10;
	int* p = &a;
	int** pp = &p;
	test(pp);
	return 0;
}
复制代码
  • 当二级指针作函数参数时,形参可以是二级指针和指针数组。

当形参为二级指针,实参可以传什么呢?

void test(int** pp) {
	printf("%d\n", **pp);
}
int main() {
	int a = 10;
	int* p = &a;
	int** pp = &p;
	int* arr[10] = { &a };
    //1.
	test(&p);
    //2.
	test(pp);
    //3.
	test(arr);
	return 0;	
}
复制代码
  • 当形参为二级指针时,实参可以是:二级指针(一级指针地址),指针数组首元素的地址。

 

函数指针

函数指针的定义

整型指针存放整型的地址;数组指针存放数组的地址;那么类比可得,函数指针存放函数的地址。

显然,函数指针指向函数,存放函数的地址。搞懂函数指针,先了解函数的地址。

在这里插入图片描述 " />

&函数名或函数名代表函数地址,与&数组名和数组名略有不同,&函数名和函数名完全一致。

函数的地址必然要放到函数指针里,函数指针的类型该如何写呢?(以Add函数为例)

//整型指针
int* pa = &a;
//字符指针 
char* pc = &ch;
//数组指针
int(*pa)[10] = &arr;
//函数指针 - 存放函数地址
int(*pf)(int, int) = &Add;
复制代码
函数指针的类型
int Add(int x, int y);
//1.
int(*pf)(int, int) = &Add;
//2.
int *pf(int, int) = &Add;
复制代码

倘若,去掉括号int* pf(int, int)pf就变成函数名,返回类型是int*。所以指针必须带括号。

前文已交代,指针,去掉指针名和*就是指针所指向的变量类型。

  • 整型指针,去掉*和指针名,即为整型变量类型int。字符指针,为字符类型char。数组指针,去掉后为数组类型int[10]
  • 函数指针,去掉*和指针名,即为函数的类型int(int,int)

总结

  • 去掉指针名pf,即为指针类型int(*)(int, int)
  • 去掉指针名pf*,即为指针所指向的函数类型为int(int, int)
函数指针的使用

计算机硬件程序经常通过调用地址的方式来调用函数,因此需要使用函数指针调用函数。

int Add(int x, int y)
{
	return x + y;
}
int main()
{
    //1.
    int(*pf)(int, int) = &Add;//函数指针指向Add函数
    //2.
    int(*pf)(int, int) = Add;
	
    //1.
	int ret = (*pf)(2, 3);
	//2.
    int ret = pf(2, 3);
	
    printf("%d\n", ret);
	return 0;
}
复制代码

前面已经交代,&函数名和函数名都是函数的地址,完全等价。所以两种初始化函数指针的方式都可以。

既然函数名Add可以直接赋值给函数指针pf,说明二者等价。函数指针名pf不解引用也可以使用,*在此处形同虚设,甚至于不写或写多个都并无大碍,仅为理解。

既然函数名也是函数地址,所以对其解引用也是可以的。我们甚至可以这样写,但仅限娱乐,没有必要。

Add(2, 3);//1
(*Add)(2, 3);//2
(*&Add)(2, 3);//3
复制代码
Example

解释下列代码

//1.
(*(void(*)())0)();
//2.
void (*signal(int, void(*)(int)))(int);
复制代码

在这里插入图片描述

  1. void(*)()是函数指针类型,放在( )0中,也就是把0强制转换成地址,该地址处存放一个函数其类型为void(*)(void)

  2. 这样(void(*)())0就变成了指针,指向该地址的函数,且对其解引用访问此函数。

  3. (*(void(*)())0)也相当于(*pf),通过函数指针解引用代替函数名,函数名后面带上();,相当于(*pf)();也就是一次不传参的函数调用

在这里插入图片描述

  1. signal先和()结合,说明signal为函数名,其后(int, void(*)(int)),为其参数列表。
  2. 去掉函数名称和参数列表,剩下的void(*)(int)就是返回类型,所以是一次函数声明
void (* signal(int, void(*)(int)) ) (int);

typedef void(* pf_t)(int);//typedef简化代码
pf_t signal(int, pf_t);
复制代码

 

函数指针数组

//整型数组 - 存放整型变量
int arr[10];
//字符数组 - 存放字符变量
char ch[5];
//指针数组 - 存放指针变量
int* arr[10];
//函数指针数组 - 存放函数指针
int(*pfar[10])(int, int);
复制代码

指针数组存放指针变量,函数指针数组存放函数指针,故元素类型为函数指针类型。

函数指针数组的定义
int Add(int x, int y) {//int(*)(int,int)
	return x + y;
}
int Sub(int x, int y) {//int(*)(int,int)
	return x - y;
}
int Mul(int x, int y) {//int(*)(int,int)
	return x * y;
}
int Div(int x, int y) {//int(*)(int,int)
	return x / y;
}
int main() {
	//函数指针数组 - pfArr
	int(*pfArr[4])(int, int) = { Add,Sub,Mul,Div };
	return 0;
}
复制代码

类型相同的函数,存放在同一个函数指针数组中。一般功能相似的函数,其类型也相同。

函数指针数组的使用

利用函数指针数组实现计算器,以简化调用过程。

转移表
//计算器实现1.0
void menu() {
	printf("**********************************\n");
	printf("*****  1.Add  ******  2.Sub  *****\n");
	printf("*****  3.Mul  ******  4.Div  *****\n");
	printf("************  0.exit  ************\n");
	printf("**********************************\n");
}
int main() {
	int (*pfArr[10]) (int, int) = { 0,Add,Sub,Mul,Div };//数组下标和选项序号匹配
	int input = 0;
	int a = 0;
	int b = 0;
	do {
		menu();
		printf("请选择:>");
		scanf("%d", &input);
		if (0 <= input && input <= 4) {
			if (input == 0) {
				printf("退出游戏\n");
				break;
			}
			else {
				printf("请输入操作数\n");
				scanf("%d %d", &a, &b);
				printf("ret == %d\n", pfArr[input](a, b));
				break;
			}
		}
		else {
			printf("输入错误\n");
			break;
		}
	} while (input);
	return 0;
}
复制代码

函数指针数组实现不同选择情况下,通过函数地址“跳转”到不同的函数的功能。

这样的函数指针数组成为转移表。(跳转功能)

回调函数

若不想舍弃switch语句,还可以这样简化代码3.0,代价为创建全局变量。若不想创建全局变量,可以使用2.0

/******
* 计算器实现
* 2.0
******/
void Calc(int (*pf)(int,int)) {
	int a = 0;
	int b = 0;
	printf("请输入操作数:>");
	scanf("%d %d", &a, &b);
	printf("%d\n", pf(a, b));
}
int main() {
	int input = 0;
	do {
		menu();
		printf("请选择:>");
		scanf("%d", &input);
		switch (input) {
		case 0:
			printf("退出成功\n");
			break;
		case 1:
			Calc(Add);
			break;
		case 2:
			Calc(Sub);
			break;
		case 3:
			Calc(Mul);
			break;
		case 4:
			Calc(Div);
			break;
		default:
			printf("请重新选择\n");
			break;
		}
	} while (input);
	return 0;
}

/******
* 计算器实现
* 3.0
******/
int (*pfArr[10])(int, int) = { 0,Add,Sub,Mul,Div };
int input = 0;

void Call() {
	int a = 0;
  int b = 0;
	printf("请输入操作数:>");
	scanf("%d %d", &a, &b);
	printf("%d\n", pfArr[input](a, b));
}
int main() {
	do {
		menu();
		printf("请选择:>");
		scanf("%d", &input);
		switch (input) {
		case 0:
			printf("退出成功\n");
			break;
		case 1:
		case 2:
		case 3:
		case 4:
			Call();
			break;
		default:
			printf("请重新选择\n");
			break;
		}
	} while (input);
	return 0;
}
复制代码

如下图所示,被通过函数指针调用的函数叫做回调函数,回调函数即使第三方调用调用函数的参数也在其中被调用。

若想在调用函数中随条件变化而调用不同的函数,就必须使用回调函数的方法:调用函数中使用函数指针,指向不同函数。回调函数在大型工程中显得非常方便。

在这里插入图片描述

 

指向函数指针数组的指针

int arr[10];
int(*parr)[10] = &arr;//整型数组指针
char(*pch)[10] = &ch;//字符数组指针
//指向整型数组指针的指针
int(*(*pparr))[10] = &parr;
//指向字符数组指针的指针
char(*(*ppch))[10] = &pch;

//函数1.
int Add(int x, int y) {
	return x + y;
}
//函数指针2.
int (*pf)(int, int) = Add;
//函数指针数组3.
int (*pfArr[10])(int, int) = { Add };
//指向函数指针数组的指针4.
int(*(*ppfArr)[10])(int, int) = &pfArr;
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前面已经交代,指针去掉*号和指针名,就是指向的变量类型;去掉指针名就是指针的类型。

反过来,定义数组指针,需要得到指针所指向的数组的类型。1.先写出指针名,在其前面加*;2.写出数组的类型int()[10]

定义指向函数指针数组的指针,依次写出如下内容:

  1. 函数 —— 得到函数类型:int(int, int)
  2. 函数指针 —— 得到函数指针类型:int(*)(int, int)
  3. 函数指针数组 —— 得到函数指针数组的类型:int(*[10])(int, int)
  4. 指向函数指针数组的指针

在这里插入图片描述

从后往前看,指向函数指针数组的指针去掉*和指针名就是函数指针数组的类型,函数指针数组去掉*和指针名就是函数指针类型,函数指针去掉*和指针名就是函数类型。

在研究下去就没有必要了,指针放在数组里,数组被指针所指向……

由于篇幅过长,后续回调函数和指针数组面试题解析放在指针进阶2。

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