指针

• 指针是什么

为了了解指针的概念，我们先来看一个小故事。
话说福尔摩斯派华生到威尔爵士居住的城堡去取回一个重要的数据。白天，在书房里，威尔爵士当着福尔摩斯和华生的面亲自将数据锁在了书柜中编号为3010的抽屉，用手电筒一照，只见里面有一张纸条，上面赫然写着6个大字：地址2000。华生眼前一亮，迅速的找到了编号为2000的抽屉，取出了重要的数据123，完成了任务。
可以用下图描述几个数据之间的关系。

img

说明：

（1）数据藏在一个内存地址单元中，地址是2000.

（2）地址2000又由Pointer单元所指认，Pointer单元的地址为3010.

（3）123的直接地址是2000,123的间接地址是3010,3010中存的是直接地址2000.

（4）称Pointer单元为指针变量，2000是指针变量的值。

由此可见，指针变量是一种特殊的变量，它存放的不是数据，而是另一种变量的地址。这个存放数据的变量被称为指针变量所指向的目标变量。**由于通过指针变量中的地址可以直接访问它指向的目标变量，常把指针变量简称为指针。
**
指针变量是一种存放地址的特殊变量，其特殊性表现在类型和值上。从变量角度讲，指针变量也具有变量的要素：

（1）指针变量的命名，与一般变量命名相同，遵循c语言的命名规则。

（2）指针变量的类型，是指针变量所指向的变量的类型，而不是自身的类型。

（3）在实验楼的环境中，指针变量在内存中占用8个字节。

• 指针变量

通过指针变量访问整数类型

#include<stdio.h>
int main()
{
 int a=100,b=10;
 int *pointer_1,*pointer_2; //定义指向整型数据的指针变量pionter_1,pionter_2
 pointer_1=&a; //把变量a的地址赋给指针变量pointer_1
 pointer_2=&b; 
 printf("a=%d,b=%d\n",a,b);
 printf("%p,%p\n",pointer_1,pointer_2); //输出a和b在内存中的地址
 printf("*pointer_1=%d,*pointer_2=%d\n",*pointer_1,*pointer_2);//输出变量a和b的值

 return 0;

}

运行结果：

img

代码中如果指针打印出为负数，则需要将打印的类型%d调整为%ld才可以正常输出。调整成%p去匹配指针型最佳。

程序分析：

（1）在开头处定义了两个指针变量point_1和point_2。但此时他们并未指向任何一个变量，只是提供两个指针变量，规定他们可以指向整形变量，至于指向哪一个整形变量，要在程序语句中指定。程序第6,7两行的作用就是使point_1指向a，point_2指向b，此时point_1的值为&a（即a的地址），point_2的值为&b。

（2）第10行输出*point_1和*point_2的值，其中的“*”表示“指向”。*point_1表示“指针变量point_1所指向的变量”，也就是变量a。*point_2表示“指针变量point_2所指向的变量”，也就是变量b。从运行结果来看他们也就是100和10.

（3）程序中有两处出现*point_1和*point_2，但是两者含义不同。程序第5行的*point_1和*point_2表示定义两个指针变量*point_1和*point_2。它们前面的“*”只是表示该变量是指针变量。程序最后10行中的printf函数中的*point_1和*point_2则表示指针变量point_1和point_2所指向的变量。

• 定义指针变量

定义指针变量的一般形式为

类型名 * 指针变量名

如
int * point_1,* point_2;
上面定义的、基类型为int的指针变量point_1和point_2只能用来指向整形的变量。

注意：我们在这里再次强调一遍，在定义指针变量时要注意，指针变量前面的“*”表示该变量的类型为指针型变量。指针变量名是point_1和point_2，而不是*point_1和*point_2。这是和定义整形或实型变量不同的。上面程序6行和7行是不能写成* point_1=&a；和 *point_2=&b;的。因为a的地址是赋给指针变量point_1，而不是赋值给* point_1（即变量a）。

• 引用指针变量

（1）给指针变量赋值。如：
p=&a; //把a的地址赋给指针变量p

指针变量p的值是变量a的地址，p指向a。

（2）引用指针变量指向的变量。
如果已经执行p=&p即指针变量p指向了整形变量a，则

printf("%d\n";,*p);其作用是以整数形式输出指针变量p所指向的变量的值，即变量a的值。

如果有以下赋值语句：
*p=1;

表示将整数1赋给p当前所指向的变量，如果p指向变量a，则相当于把1赋给a，即a=1;.

（3）引用指针变量的值。如：
printf("%o\n";,p);

作用是以八进制数形式输出指针变量p的值，如果p指向了a，就是输出了a的地址，即&a。

注意：比较地址运算符&和指针运算符*的差异：

Alt text

• 程序举例

编写程序10-2，输入两个整数，按先大后小的顺序输出a和b。

解题思路：用指针的方法来处理这个问题。不交换整形变量的值，而是交换两个指针变量的值。

编写程序：

#include<stdio.h>
int main()
{
    int *p1,*p2,*p,a,b;
    printf("please enter two integer number:");
    scanf("%d,%d",&a,&b);
    p1=&a;
    p2=&b;
    if(a<b)
    {
        p=p1;p1=p2;p2=p;          //使p1和p2的值互换
    }

    printf("a=%d,b=%d\n",a,b);
    printf("max=%d,min=%d\n",*p1,*p2);
    return 0;
}

运行结果：

Alt text

程序分析

输入23和42，由于a<b，将p1和p2交换，交换前后的情况如下图

Alt text

注意：a和b的值并未交换，他们仍然保持原值，但p1和p2的值改变了。p1的值原来为&a，后来变为&b。这样输出* p1和* p2时，实际上输出变量b和a的值，所以先输出42，然后输出23.

程序中p=p1;p1=p2;p2=p;这个语句是我们之前使用过的方法，两个变量的值交换要利用第三个变量。实际上学到指针我们可以用更加简洁的方法把p=p1;p1=p2;p2=p;改为p1=&b,p2=&a，这样就不需要定义中间变量p，使得程序更加简洁。

#include <stdio.h>

int main()
{
    int *p1,*p2,a,b;
    a=rand();
    b=rand();
    p1=&a;
    p2=&b;
    printf("p1=%p,p2=%p\n",p1,p2);
    printf("*p1=%d,*p2=%d\n",*p1,*p2);
    printf("a=%d,b=%d\n",a,b);
    if (a<b){
        p1=&b;
        p2=&a;
    }
    printf("*p1=%d,*p2=%d\n",*p1,*p2);
}

• 指针变量作为函数参数

函数的参数不仅可以是整形，浮点型等数据，也可以是指针类型。他的作用是将一个变量的地址传送到另一个函数中。

编写程序10-3，要求实现的功能和10-2相同，只不过这次我们采用函数来处理，而且用指针类型的数据做函数的参数。

#include<stdio.h>
int main()
{
    void swap(int * point_1,int * point_2);
    int *p1,*p2,*p,a,b;
    printf("please enter two integer number:");
    scanf("%d,%d",&a,&b);
    p1=&a;
    p2=&b;
    if(a<b)
    swap(p1,p2);

    printf("max=%d,min=%d\n",a,b);
    return 0;
}

void swap(int * point_1,int * point_2)
{
    int temp;
    temp=* point_1;                 //使*p1和*p2互换
    * point_1=* point_2;
    * point_2=temp;
}

运行结果为：

Alt text

程序分析：
swap是用户自定义函数，它的作用是交换两个变量（a和b）的值。swap函数的两个形参point_1和point_2是指针变量。程序运行时，先执行main函数，输入a和b的值（我们输入的是23和34），然后将a和b的地址分别赋给int 指针变量p1和p2，使p1指向a，p2指向b，见下图a，接着执行if语句，由于a<b，因此执行swap函数。注意实参p1和p2是指针变量，在函数调用时，将实参变量的值传送给形参变量，采取的依然是“值传递”方式。因此虚实结合后形参point_1的值是&a，point_2的值为&b，见下图b。这时p1和point_1都指向变量a，p2和point_2都指向变量b。接着执行swap函数的函数体，使* point_1和* point_2的值互换，也就是使a和b的值互换。互换后的情况见图c。函数调用结束后，形参point_1和point_2不复存在（已释放），情况如图d，最后在main函数中输出的a和b的值已经是经过交换的值。

**使用指针变量作为函数参数，其本质在于通过指针去直接完成相应的操作。而一般的变量作为函数参数时，在函数调用过程中，传入的变量作为临时变量存在，在调用完成后，会被释放除函数返回值外，其他变量均不发生变化，而指针变量是通过地址直接进行相应的操作，调用完成时只是释放指针变量。
**
如将swap函数改为下面的形式：

void swap(int x ,int y)
{
    int temp;
    temp=x;
    x=y;
    y=temp;
}

如果在main函数中调用swap函数：
swap(a,b);
在函数调用时，a的值传送给x，b的值传送给y，执行完swap函数后，x和y的值是互换了，但并未影响到a和b的值。在函数结束时，变量x和y释放了，main函数中的a和b并未互换。也就是说，这种单向的值传递，形参值的改变不能使实参的值随之改变。

为了使在函数中改变了的变量值能被主调函数main所用，不能采取上述的把要改变的变量作为参数的办法，而应该用指针变量作为函数参数，在函数执行过程中使指针变量所指向的变量值发生变化，函数调用结束后，这些变量值依然保留了下来。

如果想通过函数调用得到n个要改变的值，可以这样做：
（1）在主调函数中设n个变量，用n个指针变量指向它们；
（2）设计一个函数，有n个指针形参，在这个函数中改变n个形参的值；
（3）在主调函数中调用这个函数，在调用时将这n个指针变量作实参，将他们的地址传给该函数的形参。
（4）在执行该函数的过程中，通过形参指针变量，改变它们所指向的n个变量的值；
（5）主调函数中就可以使用这些改变了值的变量了。

通过指针引用数组

可以用一个指针变量指向一个数组元素。例如：

int a[10]={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
int *P;
p=&a[0];

p=&a[0];使指针变量p指向a数组的第0号元素。
在c语言中，数组名（不包括形参数组名，形参数组并不占据实际的内存单元）代表数组中首元素（即序号为0的元素）的地址。因此，下面两个语句等价：

p=&a[0];  //p的值是a[0]的地址
p=a;      //p的值是数组a首元素（即a[0]）的地址

注意：数组名不代表整个数组，只代表数组首元素的地址。上述p=a;的作用是“把a数组的首元素的地址赋给指针变量p”，而不是“把数组a各元素的值赋给p”。

• 引用数组元素时指针的运算

在指针指向数组元素时，可以对指针进行以下运算：

• 加减一个整数，如p+1;或者p-1;
• 自加运算，如p++或者++p
• 自减运算，如p--或者--p

分别说明如下：
（1）如果指针变量p已指向数组中的一个元素，则p+1指向同一数组中的下一个元素，p-1指向同一数组中的上一个元素。
注意: 执行p+1时并不是将p的值（地址）简单地加1，而是加上一个数组元素所占用的字节数。例如，数组元素是float型，每个元素占4个字节，则p+1意味着使p的值加4个字节，以使它指向下一个元素。p+1所代表的地址实际上是p+1*d，d是一个数组元素所占的字节数。若p的值是2000，则p+1的值不是2001而是2004。

（2）如果p的初值为&a[0],则p+i和a+i就是数组元素a[i]的地址，或者说，他们指向a数组序号为i的元素，见下图，这里注意的是a代表数组首元素的地址，a+1也是地址，它的计算方法同p+1，即它的实际地址为a+1*d。例如，p+9和a+9的值是&a[9],它指向a[9]。

Alt text

（3）*（p+i）和*(a+i)是p+i或a+i所指向的元素，即a[i]。例如*(p+5)和*(a+5)就是a[5]，三者等价。

根据以上叙述，引用一个数组元素，可以用下面两种方法：
（1）下标法，如a[i]的形式；
（2）指针法，如*（a+1）或*（p+i）。其中a是数组名，p是指向数组元素的指针变量，其初值p=a。

程序举例
有一个整型数组a，有10个元素，要求输出数组中的全部元素。

解题思路：引用数组中各元素的值有3中方法：
（1）下标法，如a[i]；
（2）通过数组名计算数组元素地址，找出元素的值；如*(a+i)

#include<stdio.h>
int main()
{
    int a[10];
    int i;
    printf("please enter 10 integer numbers: ");
    for(i=0;i<10;i++)
    scanf("%d",&a[i]);
    for(i=0;i<10;i++)
    printf("%d\t",*(a+i));  //通过数组名和元素序号计算元素地址，再找该元素
    return 0;
}

程序中scanf("%d",&a[i]);用&a[i])代表a[i]的地址，因此也可用a+i代表（数组名代表数组中首元素（即序号为0的元素）的地址）scanf("%d",&a[i]);
（3）用指针变量指向数组元素。分别写出程序，以便我们比较分析。
p=&a[0]; *(p+i)

int main()
{
    int a[10];
    int *p,i;
    printf("please enter 10 integer numbers: ");
    for(i=0;i<10;i++)
    scanf("%d",&a[i]);

    for(p=a;p<(a+10);p++)  //数组名代表数组首个元素的地址
    printf("%d\t",*p);  //用指针指向当前的数组元素

    return 0;

}

3种方法的比较：
（1）第（1）种和第（2）种方法的执行效率是相同的。c编译系统是将a[i]装换为*（a+i）处理的，即先计算元素的地址。因此用第（1）和第（2）种方法找数组元素费时较多。
（2）第（3）种方法比第（1）、第（2）种方法快，用指针变量直接指向元素，不必每次都重新计算地址，像p++这样的自加操作是比较快的。这种有规律的改变地址值（p++）能大大提高执行效率。
（3）用下标比较直观，能直接知道是第几个元素。例如，a[5]是数组中序号为5的元素（注意序号是从0算起）。用地址发或者指针变量的方法不直观，难以很快的判断出当前处理的是哪一个元素。例如，方法（3）中，要仔细分析指针变量p的当前指向，才能判断当前输出的是第几个元素。有经验的程序猿往往喜欢用第（3）种形式，用p++进行控制，程序简洁、高效。对于小白用户最好还是用第（1）种方式，直观，不易出错。

注意：在使用指针变量指向数组元素时，有一些问题需要注意：
（1）可以通过改变指针变量的值指向不同的元素。例如：上述第（3）种方法是用指针变量p来指向元素，用p++使p的值不断改变从而指向不同的元素。如果不用p变化的方法而用数组名a变化的方法行不行呢？假如将上述第（3）中方法中的程序的

for(p=a;p<(a+10);p++)
    printf("%d\t",*p);

改为

for(p=a;a<(p+10);a++)
   printf("%d",*a);

是不行的。因为数组名a代表数组首元素的地址，它是一个指针型常量，它的值在程序运行期间是固定不变的。既然a是常量，所以a++是无法实现的。

（2）注意指针变量的当前值。看下例
编写程序：

#include<stdio.h>
int main()
{
    int *p,i,a[10];
    p=a;
    printf("please enter 10 integer number:");
    for(i=0;i<10;i++)
    scanf("%d",p++); //循环结束p=&a[10]

    for(i=0;i<10;i++,p++)
    printf("%d\t",*p);
    printf("\n");

    return 0;
}

运行结果：

Alt text

程序分析：显然输出的数值并不是a数组中各元素的值。需要检查和分析程序。

可能大家会觉得上面的程序没有什么问题，即使已被告知此程序有问题，还是找不出问题出在哪里。问题出在指针变量p的指向。指针变量p的初始值为a数组首元素的地址，但经过第一个for循环读入数据后，p已指向a数组的末尾。因此，在执行第2个for循环时，p的起始值不是&a[0]了，而是a+10。由于执行第2个for循环时，每次要执行p++，因此p指向的是a数组下面的10个存储单元。

解决这个问题的方法只需要在第2个for循环之前加一个赋值语句：

p=;

使p的初始值重新等于&a[0]，这样的结果就对了。

利用指针引用数组元素，比较方便灵活，有不少技巧。在专业人员中常喜欢用一些技巧，以使程序简洁。我们来分析下面几种情况

（1）p++使p指向下一个元素a[1].然后若在执行* p，则得到下一个元素a[1]的值。

p++;
* p;

（2）由于++和*同优先级，结合方向为自右而左，因此它等价于*（p++）。先引用p的值，实现*p的运算，然后再使p自增1.

*p++;

（3）*（p++）与*（++p）作用是否相同？答案肯定是不相同的。前者是先取*p的值，然后使p加1.后者是先使p加1，再取*p。

程序分析：这个程序我们可以做一些改动。将函数change中的形参x改成指针变量。相应的实参仍为数组名a（即数组a首元素的地址），将它传给形参指针变量x，这时x就指向a[0]。x+m是a[m]元素的地址。设j和i以及p都是指针变量，用它们指向有关元素。i的初值x，j的初值为x+n-1，见下图。使得*i与*j交换就是a[i]和a[j]交换。

enter image description here

#include<stdio.h>

void exchange(int *x,int y);
int main()
{
    int i,y,x[10];
    for(i=0;i<10;i++)
     {
        x[i]=rand();
        printf("x[%d]=%d\n",i,x[i]);
     }
    exchange(x,10);
    for(i=0;i<10;i++)
       printf("x[%d]=%d\n",i,x[i]);
    
    return 0;
 } 
 
 void exchange (int *x,int y)
 {
    int temp,*p,*i,*j, m=(y-1)/2;;
    i=x;j=x+y-1;p=x+m;
    for(;i<=p;i++,j--)     // i++=&x[++];
    {
        temp=*i;
        *i=*j;
        *j=temp;
    }
        
 }

归纳分析：如果有一个实参数组，要想在函数中改变数组中的元素的值，实参和形参的对应关系有以下4种情况。
（1）形参和实参都用数组名，例如：

int main()     
{
   int a[10];
   .
   .
   .
   f(a,10);
   
}

int f(int x[],int n)
{
   .
   .
   .
}

由于形参数组名x接收了实参数组首元素a[0]的地址，因此可以认为在函数调用期间，形参数组与实参数组共用一段内存单元，这种形式比较好理解。

（2）实参用数组名，形参用指针变量。例如：

int main()
{
   int a[10];
   .
   .
   .
   f(a，10)；
   
}

void f(int *x,int n)
{
  .
  .
  .
}

实参a为数组名，形参x为int *型的指针变量，调用函数开始后，形参x指向a[0],即x=&a[0],通过x的值的改变，可以指向a数组的任一元素。例11-2就属于此类。

（3）实参形参都用指针变量。例如：

int main()
{
    int a[10],*p=a;      //p=&a[0]
    .
    .
    .
    f(p,10);
    .
    .
    .
}

void f(int *x,int n)
{
   .
   .
   .
}

实参p和形参x都是(int *)型的指针变量。

先使实参指针变量p指向数组a[0],p的值是&a[0]。然后将p的值传给形参指针变量x，x的初始值也是&a[0]，通过x的值的改变可以使x指向数组a的任意元素。
（4） 实参为指针变量，形参为数组名。例如：

int main（）
 {
    int a[10],*p=a;
    .
    .
    .
    f(p,10);
 }

void f(int x[],int n)
{
   .
   .
   .
   .
}

实参p为指针变量，它指向a[0]。形参为数组名x，编译系统把x作为指针变量处理，今将a[0]的地址传给形参x，使x也指向a[0]。也可以理解为形参数组x和a数组共用同一段内存单元。在执行过程中可以使x[i]的值变化，而x[i]就是a[i]。这样，main函数可以使用变化了的数组元素的值。

参考文献

【1】 实验楼c语言入门教程 指针（1） （https://www.shiyanlou.com/courses/running）