第 11 章：指针核心知识（上）
- 第 11 章：指针核心知识（上）
- 1. 阅读前问题卡：C 语言指针核心知识（上）
- 1.1 阅读前先看这几个问题
- 1.2 读完后完成这 3 个任务
- 1.2.1 任务 1：梳理内存、地址与指针
- 1.2.2 任务 2：运行取址与解引用示例
- 1.2.3 任务 3：拆解指针类型与大小
- 1.3 自检清单
- 2. 目标
- 3. 内存和地址
- 4. 指针变量和地址
- 4.1 取地址操作符（&）
- 4.2 指针变量
- 4.2.1 指针变量和初始化
- 4.2.2 如何拆解指针类型
- 4.2.3 解引用操作符
- 4.3 指针变量的大小
1. 阅读前问题卡：C 语言指针核心知识（上）
建议先读：先读第 3 节建立“内存单元—地址—指针”的关系，再按 4.1、4.2.1、4.2.3 节理解取址、保存地址和解引用。
暂时跳过：掌握取地址、指针初始化和解引用后，再细看 4.3 节的数据模型表。
1.1 阅读前先看这几个问题
- 文档怎样从“房间号”类比推导出内存单元、地址和指针的关系？
- CPU 读写数据时，虚拟地址、MMU 和物理内存之间是什么关系？哪些特殊领域可能直接使用物理地址？
- 对整型变量
a使用&a会得到什么？为什么只记录其 4 个字节中地址较小的那个地址就够了？ - 指针变量保存的是什么？
NULL指针与未初始化的局部指针分别表示什么，又有什么使用风险？ - 声明
int *pa时，*与int分别说明什么？它与表达式*pa中的解引用操作符有什么区别？ *pa = 0为什么能够修改a？这条语句体现了地址、指针变量和被指向对象怎样的联系？- 指针变量的大小由什么决定？为什么不同指针类型在同一平台下大小相同，而 X86 与 X64 的测试结果不同？
1.2 读完后完成这 3 个任务
1.2.1 任务 1：梳理内存、地址与指针
- 做什么：画出“内存单元—地址—指针—CPU”的关系，并在图中补上虚拟地址经 MMU 映射到物理内存的方向。
- 验证标准：能说明一个内存单元为 1 个字节、一个字节含 8 个比特位，并能区分程序调试时看到的虚拟地址与物理地址。
1.2.2 任务 2：运行取址与解引用示例
- 做什么：运行文档中的取地址和解引用示例，观察
&a、pa与a的值，再执行*pa = 0。 - 验证标准：能确认
pa保存&a的结果，%p输出变量地址，并观察到通过*pa赋值后a的值变为 0。
1.2.3 任务 3：拆解指针类型与大小
- 做什么：为
char ch = 'w';写出匹配的指针声明，再运行sizeof示例比较 X86 与 X64 环境中的各类指针大小。 - 验证标准：能解释声明中
*与前置类型各自的含义，并对照运行结果说明 X86 环境下各类指针为 4 个字节、X64 环境下为 8 个字节。
1.3 自检清单
- 我能用一句话说明地址与指针的关系。
- 我能解释内存为何按字节划分并为每个内存单元编号。
- 我能区分虚拟地址、物理地址及 MMU 的映射作用。
- 我能说明
&、指针变量和解引用操作符*在示例中的职责。 - 我能区分
NULL指针与未初始化的局部野指针。 - 我能拆解
int *pa的类型含义，并说明指针大小与平台数据模型的关系。
2. 目标
- 理解指针的本质就是地址。
- 理解指针类型的意义，能够使用正确的指针类型。
- 理解指针运算的本质就是地址的偏移。
- 掌握传值调用和传址调用的区别。
- 掌握二级指针。
- 为后续指针进阶打好基础。
3. 内存和地址
学习指针必须先理解内存和地址。
在讲解之前，先看一个生活中的案例：
假设有一栋宿舍楼，把你放在楼里，楼上有 100 个房间，但是房间没有编号。你的一个朋友来找你玩，如果想找到你，就得挨个房子去找，这样效率很低。但是，如果我们根据楼层和楼层的房间情况，给每个房间编上号，如：
一楼：101，102，103... 二楼：201，202，203... ...有了房间号，如果你的朋友得到房间号，就可以快速地找到房间，找到你。
生活中，每个房间有了房间号，就能提高效率，能快速地找到房间。
如果把上面的例子对照到计算机中，又是怎么样呢？
我们知道，计算机上 CPU（中央处理器）在处理数据的时候，需要的数据是在内存中读取的，处理后的数据也会放回内存中。
常见的一台电脑上内存是 8 GB/16 GB/32 GB 等，那这些内存空间如何高效地管理呢？
解决办法和上面的例子相似：把内存划分为一个个的内存单元，每个内存单元的大小取 1 个字节，然后给每一个内存单元一个编号，就类似于房间编号。
计算机中常见的单位介绍：
一个比特位可以存储一个二进制的位 1 或者 0。
bit - 比特位 Byte - 字节 KB MB GB TB PB1Byte = 8bit 1KB = 1024Byte 1MB = 1024KB 1GB = 1024MB 1TB = 1024GB 1PB = 1024TB ...🎈 注意，上面我们是为了方便讲解，对真实的内存访问进行了简化。实际上，我们编写的运行在 X86 架构的计算机上的 C 语言程序，是不会直接访问物理内存的。
程序运行时为变量分配的地址，在程序调试过程中，我们看到的地址都是虚拟地址；虚拟地址不是物理地址。虚拟地址是虚拟地址空间中的地址。
虚拟地址空间可以看作操作系统为每个程序提供的一个“假想的、独占的、连续的内存空间”。
程序中的虚拟地址，会由 CPU 的内存管理单元（MMU）映射到物理内存中，其实程序最终还是会访问物理内存。这个由虚拟地址换成物理地址的过程，暂时我们不需要关心，学习到操作系统的知识，慢慢再理解就可以了。
我们在学习编程语言的时候，都是在使用虚拟地址的。
🎈 是否存在 C 程序直接使用物理内存的情况？
有，但属于非常特殊的领域：
- 嵌入式系统：没有 MMU（叫单片机或 MCU，如 ARM Cortex-M 系列、Arduino）。C 程序直接使用物理地址。此时，编译器和程序员要亲自管理整个内存布局。
- 操作系统内核：内核拥有最高权限，它可以访问物理地址。
4. 指针变量和地址
4.1 取地址操作符（&）
理解了内存和地址的关系，我们再回到 C 语言。在 C 语言中创建变量，其实就是向内存申请空间，比如：
X86 环境：
#include<stdio.h>intmain(){inta=10;return0;}比如，上述的代码就是创建了整型变量a，在内存中申请 4 个字节，用于存放整数 10，其中每个字节都有地址。上图中 4 个字节的地址分别是：
0x006FFD70 0x006FFD71 0x006FFD72 0x006FFD73那我们如何能得到a的地址呢？
这里就得学习一个操作符&——取地址操作符。
X86 环境：
#include<stdio.h>intmain(){inta=10;&a;//取出a的地址printf("%p\n",&a);return0;}按照我画图的例子，会打印出来：006FFD70。
&a取出的是a所占 4 个字节中地址较小的字节的地址。
虽然整型变量占用 4 个字节，我们只要知道了第一个字节地址，顺藤摸瓜访问到 4 个字节的数据也是可行的。
4.2 指针变量
4.2.1 指针变量和初始化
我们通过取地址操作符&拿到的地址是一个数值，比如0x006FFD70。这个数值有时候也需要存储起来，方便后期再使用。那我们把这样的地址值存放在哪里呢？答案是：指针变量中。
比如：
#include<stdio.h>intmain(){inta=10;int*pa=&a;//取出a的地址并存储到指针变量pa中return0;}🎈 指针变量也是一种变量，这种变量就是用来存放地址的，存放在指针变量中的值都会理解为地址。
这里我们是拿&a（也就是a的地址）给pa进行了初始化。
有时候我们创建了一个指针变量，但是暂时不需要指向变量，可以使用NULL来初始化。NULL是 C 语言中定义的一个标识符常量，值是 0。0 也是地址，这个地址是无法使用的，读写该地址会报错。
#ifdef__cplusplus#defineNULL0#else#defineNULL((void*)0)#endif一个指针变量被初始化为NULL，意思就是这个指针变量暂时不指向任何有效的内存位置。等后续使用的时候，可以给它赋值新的地址。
使用NULL初始化指针变量：
intmain(){int*pa=NULL;return0;}❓ 那如果一个指针变量没有初始化，会怎样呢？
- 指针变量如果是全局的，则默认会被初始化为 0，也就是
NULL指针。 - 指针变量如果是局部的，则指针变量的值是未知的，这样的指针就是野指针；强制使用野指针会导致非法访问内存，程序崩溃。
4.2.2 如何拆解指针类型
我们看到pa的类型是int*，该如何理解指针的类型呢？
inta=10;int*pa=&a;这里pa左边写的是int*，int*是pa的类型；但是*和int应该分开理解。
*是在说明pa是指针变量，而前面的int是在说明pa指向的是整型int类型的对象。
那如果有一个char类型的变量ch，ch的地址要放在什么类型的指针变量中呢？
charch='w';pc=&ch;//pc的类型怎么写呢？4.2.3 解引用操作符
在现实生活中，我们使用地址要找到一个房间，在房间里可以拿取或者存放物品。
程序中我们将地址保存起来，未来是要使用的，那怎么使用呢？C 语言中其实也是一样的。我们只要拿到了地址（指针），就可以通过地址（指针）找到地址（指针）指向的对象。这里必须学习一个操作符，叫解引用操作符（*）。
#include<stdio.h>intmain(){inta=100;int*pa=&a;*pa=0;return0;}上面代码中第 7 行就使用了解引用操作符。*pa的意思就是通过pa中存放的地址，找到pa指向的空间；*pa其实就是a变量了。所以，*pa = 0这个操作是把a改成了 0。
有同学肯定在想，这里如果目的就是把a改成 0 的话，写成a = 0;不就完了，为啥非要使用指针呢？
其实这里是把a的修改交给了pa来操作。这样对a的修改就多了一种途径，写代码就会更加灵活，后期慢慢就能理解了。
4.3 指针变量的大小
C 语言标准并未规定指针变量的长度。我们现在分别在 VS 2026 的 X86 和 X64 环境下测试：
#include<stdio.h>intmain(){printf("%zd\n",sizeof(char*));printf("%zd\n",sizeof(short*));printf("%zd\n",sizeof(int*));printf("%zd\n",sizeof(double*));return0;}X86 环境输出结果，X64 环境输出结果。
其实指针变量的大小是取决于数据模型的，下面列出了常见的 4 个数据模型：
数据模型指的是在特定操作系统、CPU 架构和 ABI（应用程序二进制接口）下，C/C++ 等语言中基本整数类型（short、int、long、long long）以及指针类型的具体位宽（字节数）的约定。
| 数据模型 | int | long | long long | pointer（指针） | 操作系统 |
|---|---|---|---|---|---|
LP32 | 16 位 | 32 位 | 64 位 | 32 位 | Win16 API |
ILP32 | 32 位 | 32 位 | 64 位 | 32 位 | Win32 API；Unix 及类 Unix 系统（Linux、Mac OS X） |
LLP64 | 32 位 | 32 位 | 64 位 | 64 位 | Win64 API |
LP64 | 32 位 | 64 位 | 64 位 | 64 位 | Unix 与类 Unix 系统（Linux、Mac OS X） |
结论：
- 32 位平台下地址是 32 个 bit 位，指针变量大小是 4 个字节。
- 64 位平台下地址是 64 个 bit 位，指针变量大小是 8 个字节。
- 注意，指针变量的大小和类型是无关的，只要是指针类型的变量，在相同的平台下，大小都是相同的。
5.回答问题卡问题
问题1:文档怎样从“房间号”类比推导出内存单元、地址和指针的关系？
答：
一个内存单元类似于一个独立房间，内存地址就是房间门牌号，指针变量就是是专门保存地址值的变量代表存放房间号的记事本，指针本质上是地址。每个内存单元为 1 个字节，一个字节包含 8 个比特位。
问题2：CPU 读写数据时，虚拟地址、MMU 和物理内存之间是什么关系？哪些特殊领域可能直接使用物理地址？
程序中虚拟地址，会由CPU的内存管理单元（MMU）映射物理内存中，其实程序最终还是会访问物理内存。没有MMU的嵌入式系统，操作系统内核
问题3：对整型变量a使用&a会得到什么？为什么只记录其 4 个字节中地址较小的那个地址就够了？
答：
会得到a的地址。只要知道了第一个字节地址，顺藤摸瓜访问到 4 个字节的数据也是可行的。
问题4：指针变量保存的是什么？NULL指针与未初始化的局部指针分别表示什么，又有什么使用风险？
答：
存放地址值。NULL是 C 语言中定义的一个标识符常量，值是 0。0 也是地址，这个地址是无法使用的，读写该地址会报错。NULL指针是初始化为0的指针，后期可以填上新地址，未初始化的指针是野指针，强制使用野指针会导致非法访问内存，程序崩溃。
问题5：声明int *pa时，*与int分别说明什么？它与表达式*pa中的解引用操作符有什么区别？
答：
在声明int *pa中，*表明pa是指针变量，int表明它指向的是int类型的对象。这里的*属于声明的一部分，只说明变量类型，不执行计算。在表达式*pa中，*是解引用操作符，表示使用pa保存的地址找到所指对象，从而读取或修改该对象。
问题6：*pa = 0为什么能够修改a？这条语句体现了地址、指针变量和被指向对象怎样的联系？
答：
*pa的意思就是通过pa中存放的地址，找到pa指向的空间；*pa其实就是a变量了。所以，*pa = 0这个操作是把a改成了 0。
问题7：指针变量的大小由什么决定？为什么不同指针类型在同一平台下大小相同，而 X86 与 X64 的测试结果不同？
答：
指针变量的大小是取决于数据模型的。指针变量的大小和类型是无关的，只要是指针类型的变量，在相同的平台下，大小都是相同的。文档给出的原因是平台地址位宽不同：X86 环境使用 32 位地址，指针占 4 字节；X64 环境使用 64 位地址，指针占 8 字节。同一平台的各种指针都用于保存该平台的地址，因此大小相同。
