一起來聊聊指針

先說內(nèi)存，內(nèi)存通常被嚴謹?shù)禺嫵上旅孢@個樣子，一個下方是低地址上方是高地址的格子樓。

但我今天換種畫法，畫成下面這個樣子。

每個格子代表內(nèi)存中的 1 個字節(jié)（8 位），格子上的數(shù)字就代表內(nèi)存地址，我也直接用 10 進制來表示了，免得 16 進制又算不明白了。

目前內(nèi)存是完全空的，格子里沒有任何內(nèi)容。

試想一下，如果你忘掉所有的語法規(guī)則和編程規(guī)范，你會如何描述對這些內(nèi)存格子的操作呢？

一、類型系統(tǒng)

很簡單，往格子 3 處放個數(shù)字 29，往格子 6 處放個數(shù)字 38，就這么簡單直接地描述即可。

但是這樣說話太麻煩了，什么往格子 3 處放個數(shù)字 29 的，廢話太多，也不方便不講感情的計算機去理解。

那我們就定個指令，使用 mov $x, (y) 表示把數(shù)字 x 放入格子 y，如下：

mov$29,(3)
mov$38,(6)

這就表示剛剛說的：

把數(shù)字29放入內(nèi)存格子3
把數(shù)字38放入內(nèi)存格子6

是不是太簡單了？別急，好戲馬上開始！

如果要把數(shù)字 999 放入內(nèi)存格子 8，該怎么辦呢？

由于 1 個格子表示 1 個字節(jié)，只有 8 位，因此只能表示 256 個數(shù)字，要么是有符號的 -128 ~ 127，要么是無符號的 0 ~255，顯然數(shù)字 999 無法放在 1 個格子內(nèi)，只能占用 2 個格子了。

那也好辦，就這么說，把數(shù)字 999 放入格子 8，連續(xù)占用兩個格子。

但這樣，我們剛剛的 mov 指令就得改改了，不但要表示"存放"這個含義，還得表示占用了多少個格子。

我們用 movb 表示只占 1 個字節(jié)，用 movw 表示占用 2 個字節(jié)。那么，剛剛的三個數(shù)字，就分別可以這樣用指令來表示了：

movb$29,(3)
movb$38,(6)
movw$999,(8)

含義就是：

把數(shù)字29放入內(nèi)存格子3，占1個字節(jié)
把數(shù)字38放入內(nèi)存格子6，占1個字節(jié)
把數(shù)字999放入內(nèi)存格子8，占2個字節(jié)

OK，既然有了 1 字節(jié)和 2 字節(jié)的的指令，不妨再設計下，用 movl 表示 4 字節(jié)，movq 表示 8 字節(jié) ...

movb占用1字節(jié)
movw占用2字節(jié)
movl占用4字節(jié)
movq占用8字節(jié)

不知不覺，類型系統(tǒng)就被你悄悄設計出來了！當然，雖然這只是個半成品。

二、變量

你不斷地往不同格子里放數(shù)據(jù)。

比如我把我的年齡放在 11 號格子（占 1 字節(jié)），把我的月薪放在 14 號格子（占 4 字節(jié)）。

現(xiàn)在我們的內(nèi)存已經(jīng)非?；靵y了，你根本記不住原來的 3 號格子放的數(shù)據(jù)表示什么，11 號格子又表示什么，只能通過看數(shù)字知道 14 號格子里放的確實是我的月薪。這該怎么辦呢？

增加一層抽象嘛！我們給這些放了我們數(shù)據(jù)的格子，都貼上個標簽，就可以不用再記那些無意義的格子編號了。

這樣一來，其實我們也不再關心，這些標簽到底在哪個格子里，只要給我找到格子把我的數(shù)據(jù)放進去就可以了。

movb$29,a
movb$38,b
movw$999,c
movb$18,age
movl$2147483647,salary

當然，我還需要再通過這個標簽，把我剛剛放進去的數(shù)據(jù)找出來。

這很簡單，但存在一個問題，放進去的時候，我們可以通過 movb，movw，movl 等知道占用多少個格子。而取出來的時候，標簽上可沒有寫這個數(shù)據(jù)占用了多少個格子，這是有問題的。

因此，在定義這個標簽時，不能光取個名字，還需要有個信息就是，這個標簽對應的數(shù)據(jù)，占了多少個格子。

我們就效仿剛剛的存放操作，也規(guī)定一系列單詞，來修飾這些標簽，表示占用了多少個格子。

char 表示 1 個字節(jié)，short 表示 2 個字節(jié)，int 表示 4 個字節(jié)，long 表示 8 個字節(jié) ...

于是乎剛剛的 5 個數(shù)據(jù)，就可以表示為如下指令：

chara=29;
charb=38;
shortc=999;
charage=18;
intsalary=2147483647;

行了，我也別藏著掖著了，相信大家也知道，這里就是 C 語言的寫法，而剛剛那堆 mov 是匯編語言的寫法。

這些 char a，char b，int salary 等，就是變量！記住，變量不但要有名字，還得有類型！

三、變量定義與賦值

其實，剛剛的寫法，是把變量的定義與賦值操作寫在一行了。

比如有如下語句：

inta=1;

實際上是分成兩步的：

//變量的定義
inta;
//變量的賦值（此處也可以叫變量的初始化）
a=1;

其中變量的定義是為了方便程序員后面去用它，這部分不是給 CPU 看的。

而變量的賦值才是真正在內(nèi)存中把數(shù)據(jù)放進去，這部分才真正涉及 CPU 具體指令的執(zhí)行。

也就是說，如果你僅僅定義了一個變量 int a; 但是沒有給它初始化的賦值操作，那么最終在 CPU 執(zhí)行指令的時候，這個定義根本就沒有任何體現(xiàn)。

四、指針

現(xiàn)在，讓我們把內(nèi)存清空，回到一開始的那一片凈土上。

我們來搞點花樣。我將我的密碼（1234）存儲在一個 short a 中，假設這個變量 a 被放在了 6 號格子處。

同時，我將這個變量 a 的地址，也就是 6 這個數(shù)字，存儲在另一個變量 int p 中，假設這個變量 p 被放在了 1 號格子處。

這樣，我尋找我密碼的方式，就是先通過 p 所在的內(nèi)存地址找到里面存的值，也就是 a 的內(nèi)存地址 6，再通過 a 的內(nèi)存地址找到里面存的值，也就是我要找的密碼 1234。

我們可以用下面的代碼來表示剛剛的存放邏輯。

shorta=1234;
//假設a被放在了6號格子處
intp=6;

這里的 p 和 a 都是變量，只不過，p 這個變量有點特殊，它里面存放的值是一個內(nèi)存地址，我們把 p 這個變量形象地稱為指針變量，簡稱指針。

不過，這樣有幾個問題，我一個個來說。

1. 取地址

首先，我們在編碼階段，無法知道也無需知道變量 a 會存放在哪里，不然就失去了標簽的含義，又回到了需要關心具體的內(nèi)存地址（也就是格子編號）的時代了。

所以，我們應該有個方法，來在編碼階段表示變量 a 的地址的含義，姑且就叫做 &a 吧。

那么我們的代碼，就可以優(yōu)化為：

shorta=1234;
//假設a的地址是6
//那么下面的p就等于6
intp=&a;

用圖來表示就是：

2. 指針變量本身的大小

視角放到這個變量 p 身上，雖然本質(zhì)上這個變量 p 里面存放的就是一個數(shù)值，假設是 6，但是它卻表示了一個內(nèi)存地址的值。

如果讓程序員隨便規(guī)定這個變量 p 的數(shù)據(jù)類型（也就是占多少個字節(jié)），那顯然容易出問題。

比如內(nèi)存地址是 999，那么我用一個 char 類型的變量 p 來存放它，就會有問題。

我們在編碼階段是無法確定一個變量的內(nèi)存地址是多少的，所以用什么類型的變量來存放它，也是無法判斷的。

所以，最穩(wěn)妥的辦法就是，用一個完全能容納所有內(nèi)存地址范圍的變量類型來存放指針變量。

我們姑且認為我們是在一個 32 位的系統(tǒng)上，那么用一個 4 字節(jié)大小的變量來存放，就可以了。（當然，實際上這取決于你的編譯器的位數(shù)）

現(xiàn)在，我們的指針變量所占用的內(nèi)存大小，就是固定的 4 個字節(jié)，也就是 4 個格子。

程序員無需也無法修改這個大小，那么我們就可以把 p 前面的數(shù)據(jù)類型去掉了。

shorta=1234;
p=&a;

3. 指針變量的類型

剛剛我們解決了指針變量本身所占用的內(nèi)存大小，但是還有一個問題沒有解決，就是指針變量里存放的內(nèi)存地址處的變量的大小。

也就是說，上面的指針變量 p 里雖然存放了變量 a 的內(nèi)存地址 6，但是指針變量 p 卻沒有任何信息，來說明內(nèi)存地址 6 處的變量，它的大小是多少。

假如，我們認為內(nèi)存地址 6 處的變量是個 char 類型，也就是只占用了一個字節(jié)，那么顯然，會取出一個不符合預期的值。

當然，如果認為 6 處的變量是個 int 類型，占 4 個字節(jié)，雖然數(shù)值上可能沒有問題，但從某種程度上講也是不太符合預期的（假如 8 號和 9 號格子里有其他內(nèi)容，那就更不符合預期了）。

所以，必須得完全按照變量本身的類型，也就是 short 類型來讀取此內(nèi)存地址處的值，才是正確的。

那我們應該如何表示這個信息呢？即如何表示，變量 p 是一個指針，且這個指針里面存放的內(nèi)存地址處的變量的類型是 short。

很好辦，直接說答案吧。

shorta=1234;
short*p=&a;

p 前面的 * 表示變量 p 是一個指針類型，再前面的 short 表示該指針指向的內(nèi)存地址處的變量，是個 short 類型的變量。

當然，更準確的說法是，指針 p 將會按照 short 類型的變量來讀取它指向的內(nèi)存，至于那里到底是什么，無所謂。

注意哦，這個 short 并不是表示指針變量本身的大小占 2 個字節(jié)，指針變量本身我們前面說過了，就是固定的 4 字節(jié)大小。

不過總是這樣說太繞口了，今后我們就說，變量 p 是個 short * 類型的指針，就可以了。

用上面的圖形象地說就是，右邊變量 a 藍色的填充，表示 a 是個 short 類型，而外面的虛線框框，表示指針 p 按照 short 類型的變量來"解讀"內(nèi)存地址 6 處的數(shù)值。

兩者相匹配了，就是"正確"的編程代碼了。

當然，這里的"正確"，是說給程序員聽的，CPU 才不關心。

4. 指針所指向的值

上面我們已經(jīng)可以獲得某個變量的地址，比如獲取 a 的地址就是：

&a

同時我們也可以定義一個指針變量，比如定義一個 short * 類型的指針變量 p：

short*p;

并且，我們通過直接賦值操作，可以給指針變量進行初始化：

p=&a;

當然，上面的代碼也可以連起來寫，即指針變量 p 的定義與初始化寫在同一行：

short*p=&a;

不過，我們還沒有一個方法，來表示指針變量 p 所指向的那塊內(nèi)存。

那我們就發(fā)明一個，比如想把 p 所指向的那塊內(nèi)存的值改為 999，可以這樣寫。

*p=999;

這里的 * 就表示"指向"的含義，即 *p 不是說 p 這個變量的內(nèi)存地址，而是把 p 這個變量里存的內(nèi)容當做內(nèi)存地址來看，指向這個內(nèi)存地址。

用圖表示就是：

所以連起來一個完整的程序就是：

shorta=1234;
//指針的定義
short*p;
//指針的初始化，也即指針變量本身的值
p=&a;
//指針變量所指向的內(nèi)存地址的值
*p=999;

執(zhí)行過后，a 的值會變成 999，或者說 6 號格子與 7 號格子里的值會變成 999。

5. 指針的加減

如果對一個普通變量 +1，比如說：

inta=1;
intb=a+1;

那顯然，b 的值應該是 2，毫無疑問。

但是如果對一個指針變量 +1，會怎么樣呢？

inta=1;
int*p=&a;
int*p2=p+1;

我們假設變量 a 放在了格子 1 處。

變量 a 的值是什么，以及變量 p 被放在了哪里，我們都不關心，就只盯著 p 的值看，顯然，一開始的時候是 1。

（為方便演示，下面的圖直接表示 p 所指向的內(nèi)存地址，而不是 p 本身所在的內(nèi)存地址）

我們先不考慮，p + 1 應該是幾，如果讓你來設計這個語言，你覺得 p + 1 是幾比較好呢？

我認為，只有兩種較為合理的設計。

第一種，p + 1 就等于 2，就簡簡單單當做數(shù)值進行加法運算而已。

第二種，p + 1 等于 5，即跨過一個 p 所指向的內(nèi)存單元的數(shù)據(jù)類型的大小，也就是 4 字節(jié)的 int。

你覺得哪種比較合理呢？

那顯然是第二種嘛！不然和普通變量有啥區(qū)別了，你既然設計出了指針變量這個玩意，就需要讓它發(fā)揮點方便程序員的作用，這才是你設計它的真正目的。

當然你不服，你就想讓這個 int * 類型的指針變量，就真真正正在數(shù)值上只 +1，也就是讓 p 等于 2，該怎么辦呢？

很簡單，分成三步就好了：

第一步，把 int * 類型的 p 強轉為 char * 類型的 p。

第二步，p + 1。

第三步，再把 char * 類型的 p 強轉為 int * 類型。

完事！用代碼表示就是：

p=(int*)((char*)p+1);

你會看到，C 語言項目中經(jīng)常使用這樣的玩法。

當然，你這一頓花里胡哨的操作，在 CPU 眼里，就是對一個內(nèi)存地址處的值簡簡單單地 +1 而已。

五、指針的本質(zhì)

我們看上面的一張圖：

其實，別看上面又 short * p 又 short a 的，這是給程序員和編譯器看的。

在 CPU 眼里，根本沒有這些眼花繚亂的標簽，以及五花八門的解讀，就是 0 ~ 4 號格子里存了個數(shù)字 6，然后 6 ~ 7 號格子里存了個數(shù)字 1234，僅此而已。

更進一步講，其實就只是 1 號格子里存儲了數(shù)字 6（234 號格子是空的），6 號格子里存儲了數(shù)字 12，7 號格子里存儲了數(shù)字 34。

（當然實際得轉換成二進制，再結合大端序還是小端序來看哈，我這里就是簡單直觀告訴大家 CPU 才不管那么多，就一個格子一個格子的放數(shù)字就完事了）

所以，我們經(jīng)常聽書上講，讓大家一定要記住，指針變量中只能存放地址，不要將一個整數(shù)或任何其他非地址類型的數(shù)據(jù)賦給一個指針變量了。

這種說法就非常別扭，很多書上，即想講清楚指針的本質(zhì)，又想講清楚指針的注意事項，混雜在一起，讓讀者即沒有搞清楚指針的本質(zhì)，又不知道指針的注意事項。

真糾結！

說實話，就光看書而沒有經(jīng)過大量 C 語言的實踐，誰能記得住或者理解透徹那些注意事項。而經(jīng)過大量 C 語言實踐的人，指針早就融入進血液中了，誰還來看你講指針的本質(zhì)？所以說，這塊我覺得非常之矛盾。

實際上，指針變量的本質(zhì)和普通變量是一樣的：

普通變量，寫個 short a，是在告訴編譯器，當我 a = 1 時，你給我找到一塊 2 字節(jié)的內(nèi)存，把 1 填充進去。

指針變量，寫個 short * p，是在告訴編譯器兩件事情：

當我 p = xxx 時，你給我找到一塊 4 字節(jié)的內(nèi)存（我們假設指針本身的大小固定 4 字節(jié)），把 xxx 填充進去，這就和普通變量完全一樣；

當我 *p = yyy 時，你給我找到 xxx 內(nèi)存地址，并且按照 short 類型也就是 2 字節(jié)大小，把 yyy 填充到這里。

所以，誰說不能把一個整型變量賦給指針了，我這不就把一個整型變量 xxx 賦給指針 p 了么，我賦值的時候就說它是整型變量了，怎么的吧？

但是我用它的時候，我 *p 又把 xxx 看做是一個內(nèi)存地址了，就去找內(nèi)存 xxx 的地方，又怎么的吧？

用代碼來表示就是：

我強行把一個整型數(shù)值 6 賦值給指針變量 p，然后 *p 去訪問內(nèi)存地址 6 并修改那個地方的值：

int*p=6;
*p=999;

我還可以把一個地址值，強行賦值給一個普通變量：

inta=1;
intb=&a;

這時普通變量 b 里面存儲著 a 的地址，我 *b 也同樣可以訪問到 a 并修改它的值：

*b=999;

當然如果你真這么寫編譯器會報錯，但沒關系，我們可以先把普通變量 b 強轉為指針變量，然后再 * 它：

*(int*)b=999;

你還可以玩些更花哨的，先 & 取地址，再 * 取值，雖然沒啥用：

*((int*)*(&p))=999;

假如 a 的地址是 6 的話，其實你這些花里胡哨的操作，最后到人家 CPU 眼里，就是一條簡單的指令：

movl$999,(6)

就是想把 999 放在 6 號格子嘛！

所以，不要把指針想得多么復雜和神圣，它就是方便了程序員編程，同時告訴編譯器應該怎么編譯成最終的指令。

你寫了個 *p，就是把 p 的值當做內(nèi)存地址去訪問，在匯編語言層面就是加了個括號：

(p)

你寫了個 &a，就是取出變量 a 的內(nèi)存地址，在匯編語言層面就是 lea 指令：

leaa,xxx

你如果寫了個 ***p 那就是，相當于加了三次括號：

(((p)))

當然啦，以上都是方便理解的偽指令，具體落實到真正的匯編語言，你就會發(fā)現(xiàn)指針就是個工具人而已。

六、寫在最后

至此，今天的內(nèi)容就講完了。

我們從最開始的內(nèi)存格子出發(fā)，逐漸推導出類型系統(tǒng)和變量的作用，進而再引出本質(zhì)上和普通變量沒有任何區(qū)別的指針變量，最后再推導出指針變量相關的操作，帶你看清了指針的本質(zhì)。

你不要去記本文的知識點，重在整個推導的過程，要去理解指針想解決的問題是什么，它的合理性在哪，哪一部分信息是給程序員和編譯器看的，哪一部分操作最終又是真正落實到 CPU 指令的，這些才是關鍵。

當然，我還是給你簡單總結下知識點相關的部分，其實簡單說，就這么幾件事。

定義一個指針：

int*p;

賦值或初始化一個指針：

p=&a;

修改指針的內(nèi)容：

*p=999;

指針的加減（其實到后面講的數(shù)組才有價值）：

p=p+1;

完事，就這些！

審核編輯：劉清