本篇文章的主角是指针，但并不会过多描述指针的使用技法，而是将笔墨放在了指针的认识与理解上，我们将从内存的角度尝试详细描述指针。
1、内存地址
“指针就是存放内存地址的变量”，我们在初学指针时肯定没少听到这句话，所以本文还是从内存讲起吧。
CPU 的工作就是操作数据，而数据是存放在内存中的，所以从内存中读取数据是 CPU 的必要工作。诚如我们多年的学习直觉，内存也是有个基本单元的，是由一块块基本单元连续组成的。我们可以把整个内存想象成一片土地，地上有一个个的萝卜坑，每个萝卜坑就是一个内存的基本单元，萝卜坑里的萝卜就是数据了。
内存地址示意图
每个萝卜坑的大小都是 1 byte(B)， 这就是内存的基本单元。我们给每个萝卜坑编号，其编号就是所谓的内存地址。我们常见的 4 GB 内存有多少个地址编号呢？4 GB = 4 * 2^30 B = 2^32 B，答案是 2^32 个。
看到这，我们发现内存其实就只有萝卜坑编号（地址）和坑里的萝卜（地址中的内容）这两个东西，那变量又是怎么一回事呢？
2、变量和地址
指针也是变量，要认识指针，难免要先学习一下变量。假设有下面的语句，定义了 int 型变量 n，在 32 位机器上它占 4 个字节，也就是 4 个萝卜坑，我们现在把这个变量放到萝卜坑 1~4 里去。
注意：本文后续也都已 32 位机器的情况为标准
int n = 6;
变量 n 在内存中的保存示意
其内存示意如上图所示，此后我们在代码中使用 n 就可以取得整数 6。但我们刚提到内存中只有地址和地址中的内容这两个概念，并不存在所谓变量名，那地址中的内容和变量名称 n 是如何关联的呢？编译器功不可没，简单来说，在程序编译过程中会生成一张表，记录变量名和变量地址的对应关系，系统就能找到该变量名对应的地址以及地址中的内容了（感兴趣的可以去编译原理里中找一下具体过程）。
变量名称到变量地址的映射示意
我们发现上图中 n 是对应到 1 号坑的，也就是变量 n 存储内容的首地址，但实际上变量 n 却占着 14 号坑呢。我知道你肯定有疑问，但你先别问，请别忘了变量 n 还具有类型信息，此处是 int 型的，我们将其派上用场吧。整个过程其实是，系统从上图所示的表里找到了变量 n 的坑号是 1，又知道 n 是 int 型的，要占 4 个 坑位，所以得出它的完整坑号是 14，取出其中的内容就是 n 的值了。
我们再梳理一遍从变量名到变量值的过程吧，如下图所示，大概分为两个步骤：
- 通过查表获得变量名对应内容的首地址；
- 通过变量类型信息，确定变量所占地址的长度，确定变量内容的完整地址信息，取出相应的值。
从萝卜名称找到萝卜值的过程
3、指针与间接访问
上文第二步中从萝卜坑号直接得到萝卜值的过程叫做直接访问，那么当然也有间接访问，这就是指针了，终于到主角登场了，我们一开始就提到指针是一个变量，存储着其他变量的内存地址。
现在先简单定义一个指针 p，指向整形变量 n，也就是让指针 p 存放变量 n 的地址。
int n =6;
int* p = &n;
32 位机器上指针的大小是 4 字节，后续会展开讨论。我们假定指针变量占着的 4 个坑位是 21~24 号，那么整个内存情况如下图所示。
变量 p 在内存中的保存示意
话不多说，我们直接看下如何通过指针 p 获得其所指向变量 n 的值。
指针也是一个变量，所以肯定要先经历第 2 节的两个步骤，从萝卜名称找到萝卜值。p 这个萝卜的值是 1，而且这个值是一个地址，所以还没完，我们接着去编号 1 的这个地址找，因为 p 指向的类型是 int，所以从 1 号开始取四个坑，在坑 1~4 中的值就是变量 n 的值了。
通过变量 n 直接取值和通过指针 p 间接取值的过程对比
不难体会到，指针变量虽然是变量，但访问其指向内容的值时，却比普通变量多了一个步骤。这也是为什么指针需要和普通变量有不同的定义形式，因为要区分直接访问和间接访问。
4、变量类型的作用验证
前文说到，内存中只有地址和地址中对应的内容这两个概念，并没有所谓的变量类型。变量类型有什么作用呢？在得出变量首地址后，需要用变量类型来确定连续往后取几个字节，以取出变量的值。下面将通过一些变量类型转换的例子，来验证这一作用。
4.1 指针类型间相互转换
我们先看一个指针变量类型互相转换的例子，来说明同一个地址，用不同类型的指针去解读，会获得不同的结果。
//
#include <iostream>
int main()
{
int n = 6;
int* p = &n;
char* pc = (char*)p;
double* pd = (double*)pc;
int* pi = (int*)pd;
}
下面是我使用 x86 调试器的结果，首先获得变量 n 的地址是 0x0137FECC，从该地址开始，连续 4 个字节中的内容为图中红框部分。
变量 n 的地址
变量 n 地址对应的内容
我们通过强制转换，让不同类型的指针都指向了同一地址，但是它们对该地址对应的内容有不同解读，获得的值不相同（下图第二列，花括号里就是地址对应的值）。具体说，通过 int* 指针访问时，会取四个字节的内容来作为结果，也就是 06 00 00 00；通过 char* 指针访问时，只会取一个字节的内容，也就是 06；通过 double* 指针访问时，会取连续 8 个字节的内容，也就是 06 00 00 00 cc cc cc cc。
通过不同类型指针来访问地址 0x0137FECC
代码最后一行又把指针类型转换回了 int*，用 pi 表示，它也正确解读出了变量 n 的值。这个例子说明指针进行类型转换，转换的只是对地址的解读方式，并不会有数据的损失，因为所有类型指针的大小都是 4 个字节。
4.2 指针和 int 相互转换
int 型的特殊之处在于它和指针一样都是 4 个字节。这个例子是用展示指针拥有的普通变量属性，和普通变量之间可以来回转换。
//
#include <iostream>
int main()
{
int n = 300;
int* p = &n;
int value = (int)p;
int* pi = (int*)value;
}
还是先获得变量 n 的地址，为 0x005BF990，该地址连续四个字节的内容是 2c 01 00 00。
变量 n 的地址
变量 n 地址的内容
指针 p 是通过取址运算获得了 n 的地址。随后我们把 int* 类型强制转换成 int 型并赋值给变量 value，下图里的 value = 0x005BF990 = 6027664，也就是直接把 16 进制表示的地址换算成了 10 进制的数字；最后再把 int 型的 value 转换成 int* 类型，赋值给 pi，这时通过 pi 也是可以获得正确的 n 的值。
指针和 int 类型相互转换结果
这个例子展现了一个有趣的现象，把地址 0x005BF990 赋值给普通变量，访问时会采用直接访问的方式取变量值，也就是 0x005BF990 本身就是值；而把地址 0x005BF990 赋值给指针，访问时会采用间接访问的方式去该地址中取对应的值。
4.3 指针和其他普通类型的相互转换
我们已经知道指针可以和普通变量进行类型转换，所有指针的长度是 4 个字节，所以可以和 int 类型相互转换而不丢失信息。那当指针转换成 char（1 个字节）、转换成 double（8 个字节）又会怎样呢？这里就简单给一下结论，不再展开了。
假设指针 int* p 指向的地址是 0x005BF990。如果强制转换成 char 类型，就只会取第一个字节的内容 90 转换成 char，其他三个字节的内容就会丢失，当再次转换回 int* 后其地址已经变成了 0x00000090；如果转换成 8 个字节的 double，再转换回去，则不会丢失地址信息。
5、指针的大小
在第二节一开始，我们就说在 32 位机器上指针的大小是 4 个字节，那么指针的大小是由什么决定的呢？答案是 cpu 的寻址位数，或者说寻址范围。比如 x86 机器上，寻址位数是 32 位，那么能寻找的地址个数就是 2^32 个，对应的寻址范围就是 2^32 * 1 B = 4 * 2^30 B = 4 GB，一个 4 字节的指针就是 32 位，刚好涵盖了 cpu 的寻址范围。
听起来有点抽象，所以我们还是回到萝卜坑的那个比喻吧，现在我们把 cpu 比作兔子，cpu 从内存中取数，就是兔子去萝卜坑里拔萝卜。假设现在有一片土地，地上有 1000 个萝卜坑，但兔子比较笨，数字只能数到 256，再大就不认识了，也就是它只找得到 1256 号萝卜坑，其他坑里就算有萝卜，兔子也找不到（哦，感觉笨的有点离谱，但意思就是这样）。这种场景，兔子的寻址范围就是 1256，寻址位数是 8，因为 2^8 = 256，指针的大小只需要足够记录兔子能找到的萝卜坑编号就行了，毕竟大点号的记了也没用，兔子又不认识。记录 1~256 的坑号，只需要 8 位就够了，所以此时的指针就只需要 8 位，也就是一个字节。
本篇关于指针的理解就到这里了，错误之处，烦请指针，喜欢的朋友麻烦点个赞，感谢。
