練習(xí)15：指針敷矫，可怕的指針

原文：Exercise 15: Pointers Dreaded Pointers

譯者：飛龍

指針是C中的一個著名的謎之特性，我會試著通過教授你一些用于處理它們的詞匯汉额，使之去神秘化曹仗。指針實際上并不復(fù)雜，只不過它們經(jīng)常以一些奇怪的方式被濫用蠕搜，這樣使它們變得難以使用怎茫。如果你避免這些愚蠢的方法來使用指針，你會發(fā)現(xiàn)它們難以置信的簡單妓灌。

要想以一種我們可以談?wù)摰姆绞絹碇v解指針轨蛤，我會編寫一個無意義的程序蜜宪，它以三種方式打印了一組人的年齡：

#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    // create two arrays we care about
    int ages[] = {23, 43, 12, 89, 2};
    char *names[] = {
        "Alan", "Frank",
        "Mary", "John", "Lisa"
    };

    // safely get the size of ages
    int count = sizeof(ages) / sizeof(int);
    int i = 0;

    // first way using indexing
    for(i = 0; i < count; i++) {
        printf("%s has %d years alive.\n",
                names[i], ages[i]);
    }

    printf("---\n");

    // setup the pointers to the start of the arrays
    int *cur_age = ages;
    char **cur_name = names;

    // second way using pointers
    for(i = 0; i < count; i++) {
        printf("%s is %d years old.\n",
                *(cur_name+i), *(cur_age+i));
    }

    printf("---\n");

    // third way, pointers are just arrays
    for(i = 0; i < count; i++) {
        printf("%s is %d years old again.\n",
                cur_name[i], cur_age[i]);
    }

    printf("---\n");

    // fourth way with pointers in a stupid complex way
    for(cur_name = names, cur_age = ages;
            (cur_age - ages) < count;
            cur_name++, cur_age++)
    {
        printf("%s lived %d years so far.\n",
                *cur_name, *cur_age);
    }

    return 0;
}

在解釋指針如何工作之前，讓我們逐行分解這個程序祥山，這樣你可以對發(fā)生了什么有所了解圃验。當你瀏覽這個詳細說明時，試著自己在紙上回答問題枪蘑，之后看看你猜測的結(jié)果符合我對指針的描述损谦。

ex15.c:6-10

創(chuàng)建了兩個數(shù)組，ages儲存了一些int數(shù)據(jù)岳颇，names儲存了一個字符串數(shù)組照捡。

ex15.c:12-13

為之后的for循環(huán)創(chuàng)建了一些變量。

ex15.c:16-19

你知道這只是遍歷了兩個數(shù)組话侧，并且打印出每個人的年齡栗精。它使用了i來對數(shù)組索引。

ex15.c:24

創(chuàng)建了一個指向ages的指針瞻鹏。注意int *創(chuàng)建“指向整數(shù)的指針”的指針類型的用法悲立。它很像char *，意義是“指向字符的指針”新博，而且字符串是字符的數(shù)組薪夕。是不是很相似呢？

ex15.c:25

創(chuàng)建了指向names的指針赫悄。char *已經(jīng)是“指向char的指針”了规哲，所以它只是個字符串败去。你需要兩個層級，因為names是二維的，也就是說你需要char **作為“指向‘指向字符的指針’的指針”秃症。把它學(xué)會陨献，并且自己解釋它寸士。

ex15.c:28-31

遍歷ages和names谜诫，但是使用“指針加偏移i”。*(cur_name+i)和name[i]是一樣的痪蝇，你應(yīng)該把它讀作“‘cur_name指針加i’的值”鄙陡。

ex15.c:35-39

這里展示了訪問數(shù)組元素的語法和指針是相同的。

ex15.c:44-50

另一個十分愚蠢的循環(huán)和其它兩個循環(huán)做著相同的事情躏啰，但是它用了各種指針算術(shù)運算來代替：

ex15.c:44

通過將cur_name和cur_age置為names和age數(shù)組的起始位置來初始化for循環(huán)柔吼。

ex15.c:45

for循環(huán)的測試部分比較cur_age指針和ages起始位置的距離，為什么可以這樣寫呢丙唧？

ex15.c:46

for循環(huán)的增加部分增加了cur_name和cur_age的值愈魏，這樣它們可以只想names和ages的下一個元素。

ex15.c:48-49

cur_name和cur_age的值現(xiàn)在指向了相應(yīng)數(shù)組中的一個元素，我們我可以通過*cur_name和*cur_age來打印它們培漏，這里的意思是“cur_name和cur_age指向的值”溪厘。

這個看似簡單的程序卻包含了大量的信息，其目的是在我向你講解之前嘗試讓你自己弄清楚指針牌柄。直到你寫下你認為指針做了什么之前畸悬，不要往下閱讀。

你會看到什么

在你運行這個程序之后珊佣，嘗試根據(jù)打印出的每一行追溯到代碼中產(chǎn)生它們的那一行蹋宦。在必要情況下，修改printf調(diào)用來確認你得到了正確的行號：

$ make ex15
cc -Wall -g    ex15.c   -o ex15
$ ./ex15
Alan has 23 years alive.
Frank has 43 years alive.
Mary has 12 years alive.
John has 89 years alive.
Lisa has 2 years alive.
---
Alan is 23 years old.
Frank is 43 years old.
Mary is 12 years old.
John is 89 years old.
Lisa is 2 years old.
---
Alan is 23 years old again.
Frank is 43 years old again.
Mary is 12 years old again.
John is 89 years old again.
Lisa is 2 years old again.
---
Alan lived 23 years so far.
Frank lived 43 years so far.
Mary lived 12 years so far.
John lived 89 years so far.
Lisa lived 2 years so far.
$

解釋指針

當你寫下一些類似ages[i]的東西時咒锻，你實際上在用i中的數(shù)字來索引ages冷冗。如果i的值為0，那么就等同于寫下ages[0]惑艇。我們把i叫做下標蒿辙，因為它是ages中的一個位置。它也能稱為地址滨巴，這是“我想要ages位于地址i處的整數(shù)”中的說法思灌。

如果i是個下標，那么ages又是什么恭取？對C來說ages是在計算機中那些整數(shù)的起始位置泰偿。當然它也是個地址，C編譯器會把任何你鍵入ages的地方替換為數(shù)組中第一個整數(shù)的地址蜈垮。另一個理解它的辦法就是把ages當作“數(shù)組內(nèi)部第一個整數(shù)的地址”甜奄，但是它是整個計算機中的地址，而不是像i一樣的ages中的地址窃款。ages數(shù)組的名字在計算機中實際上是個地址。

這就產(chǎn)生了一種特定的實現(xiàn)：C把你的計算機看成一個龐大的字節(jié)數(shù)組牍氛。顯然這樣不會有什么用處晨继，于是C就在它的基礎(chǔ)上構(gòu)建出類型和大小的概念。你已經(jīng)在前面的練習(xí)中看到了它是如何工作的搬俊，但現(xiàn)在你可以開始了解C對你的數(shù)組做了下面一些事情：

• 在你的計算機中開辟一塊內(nèi)存紊扬。
• 將ages這個名字“指向”它的起始位置。
• 通過選取ages作為基址唉擂，并且獲取位置為i的元素餐屎，來對內(nèi)存塊進行索引。
• 將ages+i處的元素轉(zhuǎn)換成大小正確的有效的int玩祟，這樣就返回了你想要的結(jié)果：下標i處的int腹缩。

如果你可以選取ages作為基址，之后加上比如i的另一個地址，你是否就能隨時構(gòu)造出指向這一地址的指針呢藏鹊？是的润讥，這種東西就叫做指針。這也是cur_age和cur_name所做的事情盘寡，它們是指向計算機中這一位置的變量楚殿，ages和names就處于這一位置。之后竿痰，示例程序移動它們脆粥，或者做了一些算數(shù)運算，來從內(nèi)存中獲取值影涉。在其中一個實例中变隔，只是簡單地將cur_age加上i，這樣等同于array[i]常潮。在最后一個for循環(huán)中弟胀，這兩個指針在沒有i輔助的情況下自己移動，被當做數(shù)組基址和整數(shù)偏移合并到一起的組合喊式。

指針僅僅是指向計算機中的某個地址孵户，并帶有類型限定符，所以你可以通過它得到正確大小的數(shù)據(jù)岔留。它類似于將ages和i組合為一個數(shù)據(jù)類型的東西夏哭。C了解指針指向什么地方，所指向的數(shù)據(jù)類型献联，這些類型的大小竖配，以及如何為你獲取數(shù)據(jù)。你可以像i一樣增加它們里逆，減少它們进胯，對他們做加減運算。然而它們也像是ages原押，你可以通過它獲取值胁镐，放入新的值，或執(zhí)行全部的數(shù)組操作诸衔。

指針的用途就是讓你手動對內(nèi)存塊進行索引盯漂，一些情況下數(shù)組并不能做到。絕大多數(shù)情況中笨农，你可能打算使用數(shù)組就缆，但是一些處理原始內(nèi)存塊的情況，是指針的用武之地谒亦。指針向你提供了原始的竭宰、直接的內(nèi)存塊訪問途徑空郊，讓你能夠處理它們。

在這一階段需要掌握的最后一件事羞延，就是你可以對數(shù)組和指針操作混用它們絕大多數(shù)的語法渣淳。你可以對一個指針使用數(shù)組的語法來訪問指向的東西，也可以對數(shù)組的名字做指針的算數(shù)運算伴箩。

實用的指針用法

你可以用指針做下面四個最基本的操作：

• 向OS申請一塊內(nèi)存入愧，并且用指針處理它。這包括字符串嗤谚，和一些你從來沒見過的東西棺蛛，比如結(jié)構(gòu)體。
• 通過指針向函數(shù)傳遞大塊的內(nèi)存（比如很大的結(jié)構(gòu)體）巩步，這樣不必把全部數(shù)據(jù)都傳遞進去旁赊。
• 獲取函數(shù)的地址用于動態(tài)調(diào)用。
• 對一塊內(nèi)存做復(fù)雜的搜索椅野，比如终畅，轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)套接字中的字節(jié)，或者解析文件竟闪。

對于你看到的其它所有情況离福，實際上應(yīng)當使用數(shù)組。在早期炼蛤，由于編譯器不擅長優(yōu)化數(shù)組妖爷，人們使用指針來加速它們的程序。然而理朋，現(xiàn)在訪問數(shù)組和指針的語法都會翻譯成相同的機器碼絮识，并且表現(xiàn)一致。由此嗽上，你應(yīng)該每次盡可能使用數(shù)組次舌，并且按需將指針用作提升性能的手段。

指針詞庫

現(xiàn)在我打算向你提供一個詞庫兽愤，用于讀寫指針彼念。當你遇到復(fù)雜的指針語句時，試著參考它并且逐字拆分語句（或者不要使用這個語句烹看，因為有可能并不好）：

type *ptr

type類型的指針，名為ptr洛史。

*ptr

ptr所指向位置的值惯殊。

*(ptr + i)

（ptr所指向位置加上i）的值。

譯者注：以字節(jié)為單位的話也殖，應(yīng)該是ptr所指向的位置再加上sizeof(type) * i土思。

&thing

thing的地址务热。

type *ptr = &thing

名為ptr，type類型的指針己儒，值設(shè)置為thing的地址崎岂。

ptr++

自增ptr指向的位置。

我們將會使用這份簡單的詞庫來拆解這本書中所有的指針用例闪湾。

指針并不是數(shù)組

無論怎么樣冲甘，你都不應(yīng)該把指針和數(shù)組混為一談。它們并不是相同的東西途样，即使C讓你以一些相同的方法來使用它們江醇。例如，如果你訪問上面代碼中的sizeof(cur_age)何暇，你會得到指針的大小陶夜，而不是它指向數(shù)組的大小。如果你想得到整個數(shù)組的大小裆站，你應(yīng)該使用數(shù)組的名稱age条辟，就行第12行那樣。

譯者注宏胯，除了sizeof羽嫡、&操作和聲明之外，數(shù)組名稱都會被編譯器推導(dǎo)為指向其首個元素的指針胳嘲。對于這些情況厂僧，不要用“是”這個詞，而是要用“推導(dǎo)”了牛。

如何使它崩潰

你可以通過將指針指向錯誤的位置來使程序崩潰：

• 試著將cur_age指向names颜屠。可以需要C風(fēng)格轉(zhuǎn)換來強制執(zhí)行鹰祸，試著查閱相關(guān)資料把它弄明白甫窟。
• 在最后的for循環(huán)中，用一些古怪的方式使計算發(fā)生錯誤蛙婴。
• 試著重寫循環(huán)粗井，讓它們從數(shù)組的最后一個元素開始遍歷到首個元素。這比看上去要困難街图。

附加題

• 使用訪問指針的方式重寫所有使用數(shù)組的地方浇衬。
• 使用訪問數(shù)組的方式重寫所有使用指針的地方。
• 在其它程序中使用指針來代替數(shù)組訪問餐济。
• 使用指針來處理命令行參數(shù)耘擂，就像處理names那樣。
• 將獲取值和獲取地址組合到一起絮姆。
• 在程序末尾添加一個for循環(huán)醉冤，打印出這些指針所指向的地址秩霍。你需要在printf中使用%p。
• 對于每一種打印數(shù)組的方法蚁阳，使用函數(shù)來重寫程序铃绒。試著向函數(shù)傳遞指針來處理數(shù)據(jù)。記住你可以聲明接受指針的函數(shù)螺捐，但是可以像數(shù)組那樣用它颠悬。
• 將for循環(huán)改為while循環(huán)，并且觀察對于每種指針用法哪種循環(huán)更方便归粉。