C语言编程主要操作的对象就是指针。

指针从哪里来

指针就是表示内存存储区域的一组数值，使用%p格式化字符串。

Linux系统会为程序维护两个临时变量存储位置：栈、堆。栈的空间少，栈通常在用户更高的地址空间处分配，通常有数M字节的大小，堆一般比栈要更大一点，一般会达到几十甚至是数百M字节。

栈

对于较小的变量，使用int、char、double等定义符号，可以直接在栈中建立空间。

#include <stdio.h>

int main(){
    int a = -1;
    int b[4] = {0, 1, 2, 3};
    int c = 4;
    
    printf("id(a):%p\n", &a);
    printf("id(b[0]):%p\nid(b[3]):%p\n", &b[0], &b[3]);
    printf("id(c):%p\n", &c);
    
    int* d = &b[4];
    printf("id(d[0]):%p\nid(d[3]):%p",&d[0], &d[3]);
    
    return 0;
}

函数退出时C编译器会从栈中“弹出”所有变量，清空整个栈，因此防止了栈上变量的内存泄漏。

值得注意的是，如果获取了指向栈上变量的指针，并且将它用于传参或从函数返回，接收它的函数会产生“段错误”。因为实际的数据被弹出而消失，指针依旧指向被释放的栈区域。

堆

栈容量有限，很容易溢出，因此对于较大的数据结构，比如结构体，尽可能在堆上开辟空间。

malloc、calloc等初始化函数就是Linux为程序进程开辟堆内存空间的函数。这些初始化动作返回的指针，都是指向目标内存区域的起始位置。

一块内存空间一旦使用完毕，应该立即调用free函数释放空间。否则，函数退出后，指针变量在栈上随即被注销。但是指针所指向的内存空间仍然在系统注册为“正在使用”。这就造成了，系统无法再度分配该空间，而进程也没有指针操纵该空间，就成了内存泄漏。

使用free释放内存空间之后，该指针仍然会指向原来的地址，成了“野指针”，容易造成危险。为了避免，这种情况的发生，应该在调用free之后，立即将指针置为NULL。

指针有什么用

指针可以用于四个最基本的操作：

  • 向OS申请一块内存，并且用指针处理它。这包括字符串、结构体等等。
  • 通过指针向函数传递大块的内存（比如很大的结构体），这样不必把全部数据都传递进去。
  • 获取函数的地址用于动态调用，可以向其他函数传递函数指针，从而实现callback回调机制。
  • 对一块内存做复杂的搜索，比如，转换网络套接字中的字节，或者解析文件。

指针的使用

  • type *ptr，type类型的指针，名为ptr。
  • *ptr，指针ptr所指向位置的值。
  • *(ptr + i)，（ptr所指向位置加上i）的值。以字节为单位的话，应该是ptr所指向的位置再加上sizeof(type) * i。
  • &thing，变量thing的地址。
  • type *ptr = &thing，type类型的名为ptr的指针，其值设置为thing的地址，也就是“新建一个指向thing的指针，thing的类型是type”。
  • ptr++，自增ptr指向的位置，相当于*(ptr + 1)。
  • int (*ptr) (int, double)，新建一个函数指针，这个指针所指向的函数：需要两个参数——一个int类型，一个double类型；返回一个int类型的值。
  • typedef int (*ptr) (int, double)，干脆定义了一类函数类型。然后使用ptr p;来新建一个ptr类型函数指针p。
  • (*ptr)((int) x, (double) y)，调用ptr所指向的函数，并传入合法参数。

指针和数组

指针并不是数组，即使C允许以一些相同的方法来使用它们。例如，对于一个数组age[]的指针cur_age，调用sizeof(cur_age)会得到指针的大小，而不是它指向数组的大小。如果想得到整个数组的大小，应该使用数组的名称age。

除了sizeof、&操作和声明之外，数组名称都会被编译器推导为指向其首个元素的指针。对于这些情况，不要用“是”这个词，而是要用“推导”。

一点题外话

提到了栈，那就再说说这一块的编程难点。

函数的栈是非常灵活的内存区，应该竭力避免与栈相关的bug：

  • 不要隐藏某个变量：把重要的变量定义在一个小的局部函数里。这可能会产生一些隐蔽的bug，你认为你改变了某个变量但实际上没有。因为，局部函数里的变量，在函数退出后会全部从栈里弹出。
  • 避免过多的全局变量，尤其是跨越多个文件。如果必须的话，要使用读写器函数——一个专门用来读写全局变量的函数。这并不适用于const定义的常量，因为它们是只读的。
  • 在不清楚的情况下，应该把变量放在堆上。不要依赖于栈的语义，或者指定区域，而是要直接使用malloc创建它。
  • 不要在函数内部定义静态变量。它们并不有用，而且当你想要使你的代码运行在多线程环境时，会有很大的隐患。对于良好的全局变量，它们也非常难于寻找。
  • 避免复用函数参数，特别是搞不清楚仅仅想要复用它还是希望修改它的调用者版本。

参考资料

延伸阅读