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c和指針的關(guān)系十分密切，所以在本文，我們會(huì)詳細(xì)的談?wù)勚羔?。這邊我會(huì)結(jié)合<<c與指針>>這本書(shū)的內(nèi)容來(lái)介紹它。
一.內(nèi)存與地址
計(jì)算機(jī)的內(nèi)存可以看作是一條長(zhǎng)街上的一排房屋。每座房子都可以容納數(shù)據(jù)，并通過(guò)一個(gè)房號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)。這個(gè)比喻頗為有用，但也存在局限性。計(jì)算機(jī)的內(nèi)存由數(shù)以?xún)|萬(wàn)計(jì)的位（bit）組成，每個(gè)位可以容納值0或1。由于一個(gè)位所能表示的范圍太有限，所以單獨(dú)的位用處不大，通常許多位組成一個(gè)單位，這樣就可以存儲(chǔ)范圍較大的值。這里有一幅圖，展示了現(xiàn)實(shí)機(jī)器的一些內(nèi)存情況。
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這里每個(gè)位置的方塊都被稱(chēng)為字節(jié)（byte），每個(gè)字節(jié)都包含了存儲(chǔ)一個(gè)字符所需要的位數(shù)，在許多現(xiàn)代機(jī)器上，每個(gè)字節(jié)包含8個(gè)位，可以表示無(wú)符號(hào)值0~255，或有符號(hào)值-128~127，上面這張圖沒(méi)有顯示出這部分內(nèi)容，但內(nèi)存中的每個(gè)位置總是包含著一些值。每個(gè)字節(jié)通過(guò)地址來(lái)標(biāo)識(shí)，如上圖方框上面的數(shù)字所示。
為了存儲(chǔ)更大的值，我們把兩個(gè)或多個(gè)字節(jié)合在一起作為一個(gè)更大的存儲(chǔ)單位。例如，許多機(jī)器以字位單位存儲(chǔ)，每個(gè)字通常由2個(gè)或者4個(gè)字節(jié)組成。下面這張圖所標(biāo)識(shí)的內(nèi)存位置與上圖相同，但這次它以4個(gè)字節(jié)的字來(lái)表示。
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由于它們包含了更多的位，每個(gè)字可以容納的無(wú)符號(hào)整數(shù)的范圍更大了（0~4294967295(2^32-1)）。
注意，盡管一個(gè)字包含了4個(gè)字節(jié)，它仍然只有一個(gè)地址。至于它的地址是從最左邊那個(gè)字節(jié)的位置還是最右邊字節(jié)的位置開(kāi)始，不同的機(jī)器有不同的規(guī)定（大小端）。另一個(gè)需要注意的是邊界對(duì)齊（boundary alignment），在要求邊界對(duì)齊的機(jī)器上，整型值存儲(chǔ)的起始位置只能是某些特定的字節(jié)，通常是2或4的倍數(shù)。但這些問(wèn)題是硬件設(shè)計(jì)師的事情，它們很少影響寫(xiě)程序的，廢話(huà)有點(diǎn)多了，總之，我們通常只對(duì)兩件事情感興趣：
內(nèi)存中的每個(gè)位置都有一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的地址標(biāo)識(shí)
內(nèi)存中的每個(gè)位置都包含一個(gè)值
地址與內(nèi)容，
這里有另外一個(gè)例子，這次它顯示了內(nèi)存中5個(gè)字的內(nèi)容。
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這里顯示了5個(gè)整數(shù)，每個(gè)都位于自己的字中。如果你記住了一個(gè)值的存儲(chǔ)地址，你以后可以根據(jù)這個(gè)地址取得這個(gè)值。
但是要記住所有這些地址可太笨拙了，所以高級(jí)語(yǔ)言提供的特性之一就是通過(guò)名字（變量名）而不是地址來(lái)訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存的位置。下面這張圖與上圖相同，但這次使用名字來(lái)代替。
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當(dāng)然，這里的名字就是我們所稱(chēng)的變量。有一點(diǎn)非常重要，你必須記住，名字與內(nèi)存位置之間的關(guān)聯(lián)不是硬件所提供的，它是由編譯器為我們實(shí)現(xiàn)的。所以這些變量其實(shí)是給了我們一種更方便的方法去記住地址，實(shí)際上硬件仍然可以通過(guò)地址訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存位置。
二、值與類(lèi)型
現(xiàn)在我們看下上圖存儲(chǔ)于這些位置的值。頭兩個(gè)位置存儲(chǔ)的是整數(shù)112和-1。第三個(gè)位置存儲(chǔ)的是一個(gè)非常大的整數(shù)，第四五個(gè)位置存的也是整數(shù)。下面是這些變量的聲明：
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在這些聲明中，變量a和b確實(shí)用于存儲(chǔ)整型值。但是c所存儲(chǔ)的是浮點(diǎn)值。但上圖中c的值卻是一個(gè)整數(shù)。那么c到底是整數(shù)還是浮點(diǎn)數(shù)呢？
答案是該變量包含了一序列內(nèi)容為0或者1的位。這個(gè)01序列可以被解釋為整數(shù)，也可以被解釋為浮點(diǎn)數(shù)，這取決于它們被使用的方式。如果使用的是整型算術(shù)指令，這個(gè)值就是整數(shù)，如果用的是浮點(diǎn)指令，它就是個(gè)浮點(diǎn)數(shù)。
這個(gè)事實(shí)引出了一個(gè)重要的結(jié)論：不能簡(jiǎn)單地通過(guò)檢查一個(gè)值的位來(lái)判斷它的類(lèi)型，為了判斷值的類(lèi)型（以及它所表達(dá)的值），你必須觀(guān)察程序中這個(gè)值的使用方式?？紤]下面這個(gè)以二進(jìn)制01表示的32位值：
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下面是這些位可能被解釋的許多情況中的幾種。這些值都是從一個(gè)基于Motorola68000的處理器得到的。如果換個(gè)系統(tǒng)，使用不同的數(shù)據(jù)格式和指令，對(duì)這些位的解釋將有所不同。
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這里，一個(gè)單一的值可以被解釋為5種不同的類(lèi)型。顯然，值的類(lèi)型并非值本身所固有的一種特性，而是取決于它的解析方式。因此，為了得到正確答案，對(duì)值進(jìn)行正確的使用是非常重要的。
當(dāng)然，編譯器會(huì)幫助我們避免這些錯(cuò)誤。如果我們把變量c聲明為float型變量，那么當(dāng)程序訪(fǎng)問(wèn)它時(shí)，編譯器就會(huì)產(chǎn)生浮點(diǎn)型指令。如果我們以某種對(duì)float類(lèi)型而言不適當(dāng)?shù)姆绞皆L(fǎng)問(wèn)該變量時(shí)，編譯器就會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤或者警告信息?，F(xiàn)在看來(lái)非常明顯，圖中所標(biāo)明的值是具有誤導(dǎo)性質(zhì)的，因?yàn)樗@示了c的整型表示方式，事實(shí)上真正的浮點(diǎn)值是3.14。
三、指針變量的內(nèi)容
話(huà)題轉(zhuǎn)回指針，看看變量d和e的聲明。它們被聲明位指針，并用其他變量的地址予以初始化。指針的初始化是用&（用在這邊稱(chēng)為取地址符）操作符完成的，它用于產(chǎn)生操作數(shù)的內(nèi)存地址。
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d和e的內(nèi)容是地址而不是整型或浮點(diǎn)型數(shù)值。事實(shí)上，結(jié)合上面幾幅圖可以容易地看出，d的內(nèi)容和a的存儲(chǔ)地址一致，而e的內(nèi)容與c的存儲(chǔ)一致，這也正是我們對(duì)這兩個(gè)指針進(jìn)行初始化時(shí)所期望的結(jié)果。區(qū)分變量d的地址（112）和它所存儲(chǔ)的內(nèi)容（100）是非常重要的，同時(shí)也必須意識(shí)到100這個(gè)數(shù)值用于標(biāo)識(shí)其他位置（是某個(gè)內(nèi)存位置的地址）。在這一點(diǎn)上，本文一開(kāi)始房屋這個(gè)比喻不是很行得通，因?yàn)榉孔拥膬?nèi)容不太可能是其他房子的地址。
在下一步之前，先看一下涉及這些變量的表達(dá)式。仔細(xì)考慮這些聲明，?
a、b、c、d、e的值分別是什么呢？
前3個(gè)很顯然：a的值是112，b的值是-1，c的值是3.14。指針變量其實(shí)也很容易，d的值是100，e的值是108。如果你認(rèn)為d和e的值分別是112和3.14，那么你就犯了一個(gè)極為常見(jiàn)的錯(cuò)誤。d和e被聲明為指針并不會(huì)改變這些表達(dá)式的求值方式：一個(gè)變量的值就是分配給這個(gè)變量的內(nèi)存位置所存儲(chǔ)的數(shù)值。如果你簡(jiǎn)單地認(rèn)為由于d和e是指針，所以它們可以自動(dòng)獲得存儲(chǔ)于位置100和108的值，那你就錯(cuò)了。變量的值就是分配給該變量的內(nèi)存位置所存儲(chǔ)的數(shù)值，即使是指針變量這點(diǎn)也不會(huì)變。
四、間接訪(fǎng)問(wèn)操作符
通過(guò)一個(gè)指針訪(fǎng)問(wèn)它所指向的地址的過(guò)程稱(chēng)為間接訪(fǎng)問(wèn)（indirection）或解引用指針（dereferencing pointer）。這個(gè)用于執(zhí)行間接訪(fǎng)問(wèn)的操作符是單目操作符*。這里有一些例子，它們使用了前面小節(jié)里的一些聲明。
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d的值是100，當(dāng)我們對(duì)d使用間接訪(fǎng)問(wèn)操作符時(shí)，它表示訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存位置100并查看那里的值。因此，*d的右值是112，即位置100的內(nèi)容，它的左值是位置100本身。
注意上表各個(gè)表達(dá)式的類(lèi)型：d是一個(gè)指向整型的指針，對(duì)它進(jìn)行解引用操作將產(chǎn)生一個(gè)整型值。類(lèi)似，對(duì)float*進(jìn)行間接訪(fǎng)問(wèn)將產(chǎn)生一個(gè)float型的值。
正常情況下，我們并不知道編譯器為每個(gè)變量所選擇的存儲(chǔ)位置，所以我們實(shí)現(xiàn)無(wú)法預(yù)測(cè)它們的地址。這樣，當(dāng)我們繪制內(nèi)存中的指針圖時(shí)，用實(shí)際數(shù)值表示地址是不方便的。所以絕大部分書(shū)籍改用箭頭代替，如下所示：
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但是，這種記法可能會(huì)引起誤解，因?yàn)榧^可以使你誤以為執(zhí)行了間接訪(fǎng)問(wèn)操作，但事實(shí)上，它不一定會(huì)執(zhí)行這個(gè)操作。例如根據(jù)上圖，你能推斷表達(dá)式d的值是什么？
如果你的答案是112，那么你就被這個(gè)箭頭誤導(dǎo)了。正確答案是a的地址，而不是它的內(nèi)容。這個(gè)箭頭似乎會(huì)把你的注意力吸引到a上。要使你的思維不受箭頭影響是不容易的，這也是問(wèn)題所在：除非存在間接引用操作符，否側(cè)不要被箭頭所誤導(dǎo)。
五、未初始化和非法的指針
下面這個(gè)代碼段說(shuō)明了一個(gè)極為常見(jiàn)的錯(cuò)誤：
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這個(gè)聲明創(chuàng)建了一個(gè)名為a的指針變量，后面那條賦值語(yǔ)句把12存儲(chǔ)在a所指向的內(nèi)存位置。
警告：
但是a究竟指向哪里呢？我們聲明了這個(gè)變量，但從未對(duì)它進(jìn)行初始化，所以我們沒(méi)有辦法預(yù)測(cè)12這個(gè)值將存儲(chǔ)于聲明地方，從這一點(diǎn)來(lái)看，指針變量和其他變量并無(wú)區(qū)別。如果變量是靜態(tài)的，則它會(huì)被初始化為0；如果變量是自動(dòng)的，它根本不會(huì)被初始化。無(wú)論是哪種情況，聲明一個(gè)整型的指針都不會(huì)“創(chuàng)建”（確切來(lái)說(shuō)是分配）用于存儲(chǔ)整型值的內(nèi)存空間。
所以，如果程序執(zhí)行這個(gè)賦值操作，會(huì)發(fā)生什么情況呢？如果你運(yùn)氣好，a的初始值會(huì)是一個(gè)非法地址，這樣賦值語(yǔ)句將會(huì)出錯(cuò)，從而終止程序。在UNIX系統(tǒng)上，這個(gè)錯(cuò)誤被稱(chēng)為“段違例（segmention violation）”或“內(nèi)存錯(cuò)誤（memory fault）”。它提示程序試圖訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)并未分配給該程序的內(nèi)存位置。在一臺(tái)運(yùn)行Windows的PC上，對(duì)未初始化或非法指針進(jìn)行間接訪(fǎng)問(wèn)操作是一般保護(hù)性異常（General Protection Exception）的根源之一。
對(duì)于那些要求整數(shù)必須存儲(chǔ)于特定邊界的機(jī)器而言，如果這種類(lèi)型的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲(chǔ)地址在錯(cuò)誤的邊界上，那么對(duì)于這個(gè)地址進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤。這種錯(cuò)誤在UNIX系統(tǒng)中被稱(chēng)為“總線(xiàn)錯(cuò)誤（bus error）”。
一個(gè)更為嚴(yán)重的情況是：這個(gè)指針偶爾可能包含一個(gè)合法的地址。接下來(lái)的事很簡(jiǎn)單：
位于那個(gè)位置的值被修改，雖然你無(wú)意去修改它，像這種類(lèi)型的錯(cuò)誤非常難以捉摸，因?yàn)橐l(fā)錯(cuò)誤的代碼可能與原先用于操作那個(gè)值的代碼完全不相干，所以在你對(duì)指針進(jìn)行間接訪(fǎng)問(wèn)之前，必須非常小心，確保它們已被初始化。
未完待續(xù)...
