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重新認識C語言的指標(上)

2020-09-16 04:09:51 後端開發

? 獨創性并不是首次觀察某種新事物,而是把舊的、很早就是已知的,或者是人人都視而不見的事物當新事物觀察,這才證明是有真正的獨創頭腦 —尼采

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序言

?指標是C語言學習者繞不過的一道坎,也是C語言學習者不得繞過的一道坎,辨別一個人C語言學的好賴就看他對指標的理解怎么樣,指標內容也是作業面試經常問到的問題,本文將帶你重新認識那個絆倒你的指標,以解大家的心頭之惑(恨),

為什么要學習指標?

?有同學就要說了,既然指標這么難,這么不通俗易懂,為什么要學習他呢?其他高級語言都是把這塊基本屏蔽掉了,不在讓程式員直接操作指標,這里不直接操作指的是不讓程式員用指標進行運算和強轉而不是徹底沒有了,舉個java的例子

Object obj= new Object();
Object sec= obj;
sec = new Object();

?如果你去仔細研究他們的行為,就會發現 obj, sec 都只是一個指向物件的東西,可以為空,也可以修改指向,所以它們其實都是指標,只是 Java 的教材里面不在去提這東西而已,具體原因看我后面講解便知道了,

? 繼續說為什么學習指標,為什么學習指標就必須要說到指標的優點了,

  • 指標可以直接操作變數地址,所以很靈活,
  • 指標操作會減少很多變數的拷貝使得程式性能提升,
  • 可以動態分配記憶體,

?這些優點使得很多后臺性能要求很高的系統、游戲內核、一些高并發的中間件都是使用C&C++語言開發出來的,比如強大的linux系統、nginx,mysql、redis等等,

?曾經看到一個搞笑的評論,hhh

道生一,一生二,二生三,三生萬物

電腦生匯編,匯編生C , C生C++,C/C++生萬物

指標是什么?

?其實指標看起來復雜,聽起來復雜,學起來復雜,但是總結下來指標到底是個啥,也就一句話,

指標就是地址,指標變數就是一個存放記憶體地址的變數

?你沒看看錯,是的就是這么簡單明了,通常我們說的指標就約等于說的是指標變數,

指標和記憶體地址的關系

?很多人不明白指標其實也就是不明白記憶體地址,所以要想明白指標必須先明白指標和記憶體之間的關系,在講記憶體和指標之間的關系之前先說下什么是記憶體,

?先明白一個問題,什么是記憶體?編程人員常說的記憶體指的是什么?

? 記憶體是電腦的一個硬體組成部分,從單片機的組成我們可以看到,CPU、記憶體和輸入輸出介面,就組成一個完整的電腦,其他統統屬于外設,記憶體是可以被CPU通過總線進行操作的,也就是與CPU之間有總線相連接的,電腦所有的輸入輸出,都是要從記憶體來實作的,記憶體包括只讀記憶體ROM和讀寫記憶體RAM,但在個人電腦(PC)中,我們通常所說的記憶體,是指讀寫記憶體,

? 程式人員常說的記憶體其實是虛擬記憶體,程式直接操作的是虛擬記憶體而不是真正的物理記憶體,

納尼

程式都是操作的虛擬記憶體? 那虛擬記憶體是個啥東西?

?這里先給大家畫張C語言程式的記憶體布局圖,關于行程和記憶體管理會在后面的文章講出來,記得微信搜索 龍躍十二 點關注,

記憶體布局圖
記憶體布局圖

?這個圖很好的描述了記憶體地址的布局,指標變數里面存放的地址也就是這個記憶體地址,順便說下啥是記憶體地址,用十六進制表示出來的一串數字編號(就好比你家的門牌號),只是這個數字是給記憶體標號的,32位系統下這個編號是4byte(32個bit)表示的,64位系統下是8byte(64bit)表示的,(這個小問題面試會被問到的)

如何使用指標?

指標的宣告

int *p;
char *p1;
float *p2;

?宣告還是很簡單,指標的型別 * 變數名即可宣告一個指標變數,

int num = 5;
int *p = #

?此時就是一個int型別的指標變數指向一個int變數,畫個圖解釋下,

?以很清楚的看到指標p存放著變數num的地址,我們通常說指標p指向變數num,當p知道變數num之后,p就可以對變數num為非作歹了,比如

int main(){
    int num = 5;
    int *p = #
    printf("*p=%d,num=%d\n",*p,num);  //此時num的值就變為5
    p+=1;
    printf("*p=%d\n",*p);    //此時p指向了哪里?這句代碼會不會報錯?

指標的大小和型別

?從上面的宣告實體可以看到我定義了三種型別的指標,可以看出指標是有型別的,這里有同學就有疑問了,不是存放記憶體地址的么,記憶體地址不就是一串十六進制表示的數字么(其實底層都是二進制),哪來的什么型別一說呢,為什么又需要型別呢?

?這個疑問很好,我當時學習的時候也是很疑惑,首先我們明白了指標是一個存放地址的變數,明白這點還不夠還必須理解另外一個問題就是

?位元組(Byte)是用于計量存盤容量的一種單位,每一個位元組由8位組成(1Byte = 8bit),地址可以理解為在一片記憶體中,每個位元組(Byte)的編號,

?所以很多人肯定會明白了,指標存放的是一個變數的首個位元組的地址,那么問題來了,

int a = 5
int *p = &a;

?我們宣告指標p指向變數a的地址,也就是說指標p里面存放著變數a的首地址,在32位平臺下,int a 是4位元組,指標去取a的值的時候找到的是a的首地址,那怎么拿到變數a,聰明的同學已經恍然大悟,是的,沒錯,所以我們的指標需要型別的,編譯器去取指標指向的內容時候會根據指標的型別去取,畫個圖如下

?此刻我相信你對指標已經有了很高的理解了,指標的大小很好理解 就是存放地址的范圍,地址的范圍是作業系統地址線的根數決定,所以指標的大小是隨作業系統的尋址范圍決定的,一般32位系統地址總線也是32根,尋址范圍是2^32次方

?順便說下32位作業系統和64位作業系統的區別在哪里,系統的位數代表運算能力,所謂32位就是能計算的字長是32位的,64位系統能計算的字長是64位,處理器的字長越大,說明它的運算能力越強,

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指標的運算子

?目前我們已經了解到指標的解參考 *p 和 & 兩個運算子,下面將帶你了解更多的運算子,

運算子 名稱 含義
*p 解參考 取出指標對應的內容
-> 指向 用來訪問指標參考的欄位
+ & += 加 和 加等 指標的加法
- & -= 減 和 減等 指標的減法
== 等于 比較兩個指標
!= 不等于 比較兩個指標
> &>= 大于 和 大于等于 比較兩個指標
< & <= 小于 和 小于等于 比較兩個指標

? ?不知道還記不記得上面代碼中的這個例子,

?這里使用到了兩個指標的運算子,*p 和 p+=1,重點說下p+=1,他代表的是p=p+1,p指標此時指向了num變數的最后一個位元組的下一個地址,指向了一個未宣告的內容,不知道大家有沒有嘗試那句代碼會不會報錯?

?還是要多練習一下的,說下結果,那句代碼不會報錯,會很順利的列印出一個內容,是不是好危險,這個內容明明不是你的,是的操作指標就是很危險,但是同時也會很靈活,(世界就是這樣子你得到一些東西就會失去一些東西,此時你得到了指標的高效,靈活,你就必須去平衡一些其他問題,還有一個很明顯的例子,演算法中常常面臨到時間和空間的平衡問題,)

?平時用到最多的是前面六個,含義上面表里已經羅列,我重點介紹下+和-運算子,指標的+1代表指標的位置移動指標對應大小個位元組,看個圖,大家肯定瞬間明白,

多級指標&多級指標的解參考

?看到這里,我相信聰明的大家對一級指標有了很明確的認識了,接下來帶大家了解下多級指標和多級指標的解參考問題,很多人看到多級指標這就想放棄了,但是龍叔我就想說

?把握一個核心本質就是,指標就是地址,指標變數就是存放地址的變數 多級指標無非就是饒了幾個彎子,本質沒變的,例如

int num = 9;
int *p = &num;
int **sp = &p;
int ***ssp = &sp;

?沒錯吧,本質沒變的,就是饒了幾個彎子,所以學習這件事情一定要把握本質的東西,那些變著花樣也不過如此,豈能難道我輩,

?當然這只是舉例子,多級指標很明顯不是這種用法,這樣用符合邏輯,但是沒啥意義,看個多級指標的示例

int arr[3][3] = {{1,2,3},{4,5,6},{7,8,9}};
int **p = arr;
//此時要操作該二維陣列,完全可以使用指標即可,很多時候減少了資料拷貝,
//在多維陣列,字串,復雜資料結構使用上,多使用指標,會減少很多資料拷貝,

?說到使用指標,減少資料拷貝,我就想到經歷的一個bug,差點線上癱瘓,

作業case

?寫了一個簡單的代碼,展示下偽代碼,

bool fun(string a,string b){
  //對a ,b字串進行一通操作,邏輯完全沒問題
}

?就這樣簡單的一個功能函式,寫完,自己測驗ok,還讓同事review了代碼,完全沒問題,大概十二點左右我發布上線了,一般發布之前會小流量灰度,發布也是輪流上線,這些都ok,但是晚上九點多,我意外收到報警了,記憶體瞬間飆升95.7%,我沒有絲毫猶豫,我自己今天發布代碼了,留了一臺機器現場,其他立馬回滾,一通操作,老大跑過來一起review代碼,觀察監控資料,老大還是厲害,掃了一眼代碼,立馬發現問題,你這里函式引數為啥不使用參考或者const char* 型別,你把這個改了自己壓測下,

?錯誤很明顯,就是沒用指標導致函式引數資料拷貝,在晚上流量高峰的時候,記憶體被瞬間抽干,這樣的例子看起來很簡單,我們日常寫代碼時候可能不會太在意,但是在處理高并發、強實時的問題上一定要慎重處理,

?今天就說到這里吧,下一篇給大家講解指標的特性和指標的安全,

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