当程序开始被执行时，就变成一个动态的状态，一般称之为进程。

内存分为：物理内存和虚拟内存。操作系统对物理内存进行管理、包装，我们开发者面对的是操作系统提供的虚拟内存。

这 2 个概念不妨碍文章的理解，因此就统一称之为内存。

在我们的程序中，通过一个变量名来定义变量、使用变量。

变量本身是一个确确实实存在的东西，变量名是一个抽象的概念，用来代表这个变量。就比如：我是一个实实在在的人，是客观存在与这个地球上的，道哥是我给自己起的一个名字，这个名字是任意取的，只要自己觉得好听就行，如果我愿意还可以起名叫鸟哥、龙哥等等。

那么，我们定义一个变量之后， 这个变量放在哪里呢？那就是内存的数据区。

内存是一个很大的存储区域，被操作系统划分为一个一个的小空间，操作系统通过地址来管理内存。

内存中的最小存储单位是字节(8 个 bit)，一个内存的完整空间就是由这一个一个的字节连续组成的。

在上图中，每一个小格子代表一个字节，但是好像大家在书籍中没有这么来画内存模型的，更常见的是下面这样的画法：

也就是把连续的 4 个字节的空间画在一起，这样就便于表述和理解，特别是深入到代码对齐相关知识时更容易理解。(我认为根本原因应该是：大家都这么画，已经看顺眼了~~)

2.2 32 位与 64 位系统

我们平时所说的计算机是 32 位、64 位，指的是计算机的 CPU 中寄存器的最大存储长度，如果寄存器中最大存储 32bit 的数据，就称之为 32 位系统。

在计算机中，数据一般都是在硬盘、内存和寄存器之间进行来回存取。CPU 通过 3 种总线把各组成部分联系在一起： 地址总线、数据总线和控制总线。地址总线的宽度决定了 CPU 的寻址能力，也就是 CPU 能达到的最大地址范围。

刚才说了，内存是通过地址来管理的，那么 CPU 想从内存中的某个地址空间上存取一个数据，那么 CPU 就需要在地址总线上输出这个存储单元的地址。

假如地址总线的宽度是 8 位，能表示的最大地址空间就是 256 个字节，能找到内存中最大的存储单元是 255 这个格子(从 0 开始)。即使内存条的实际空间是 2G 字节，CPU 也没法使用后面的内存地址空间。如果地址总线的宽度是 32 位，那么能表示的最大地址就是 2 的 32 次方，也就是 4G 字节的空间。

【注意】这里只是描述地址总线的概念，实际的计算机中地址计算方式要复杂的多，比如：虚拟内存中采用分段、分页、偏移量来定位实际的物理内存，在分页中还有大页、小页之分，感兴趣的同学可以自己查一下相关资料。

2.3 变量

我们在 C 程序中使用变量来“代表”一个数据，使用函数名来“代表”一个函数，变量名和函数名是程序员使用的助记符。变量和函数最终是要放到内存中才能被 CPU 使用的，而内存中所有的信息(代码和数据)都是以二进制的形式来存储的，计算机根据就不会从格式上来区分哪些是代码、哪些是数据。CPU 在访问内存的时候需要的是地址，而不是变量名、函数名。

问题来了： 在程序代码中使用变量名来指代变量，而变量在内存中是根据地址来存放的，这二者之间如何映射(关联)起来的？

答案是： 编译器！编译器在编译文本格式的 C 程序文件时，会根据目标运行平台(就是编译出的二进制程序运行在哪里？是 x86 平台的电脑？还是 ARM 平台的开发板？)来安排程序中的各种地址，例如：加载到内存中的地址、代码段的入口地址等等，同时编译器也会把程序中的所有变量名，转成该变量在内存中的存储地址。

变量有 2 个重要属性： 变量的类型和变量的值。

示例：代码中定义了一个变量

类型是 int 型，值是 20。这个变量在内存中的存储模型为：

在上图中，变量 a 的值为 20，在内存中占据了 4 个格子的空间，也就是 4 个字节。为什么是 4 个字节呢？在 C 标准中并没有规定每种数据类型的变量一定要占用几个字节，这是与具体的机器、编译器有关。

比如：32 位的编译器中：

比如：64 位的编译器中：

为了方便描述，下面都以 32 位为例，也就是 int 型变量在内存中占据 4 个字节。

在图示中，使用十六进制来表示，十进制数值 20 转成 16 进制就是：0x00000014，所以从开始地址依次存放 0x00、0x00、0x00、0x14 这 4 个字节(存储顺序涉及到大小端的问题，不影响文本理解)。

根据这个图示，如果在程序中想知道变量 a 存储在内存中的什么位置，可以使用取地址操作符&，如下：

考虑一下，在 32 位系统中：指针变量占用几个字节？

2.4 指针变量

指针变量可以分 2 个层次来理解：

• 指针变量首先是一个变量，所以它拥有变量的所有属性：类型和值。它的类型就是指针，它的值是其他变量的地址。 既然是一个变量，那么在内存中就需要为这个变量分配一个存储空间。在这个存储空间中，存放着其他变量的地址。
• 指针变量所指向的数据类型，这是在定义指针变量的时候就确定的。例如：int *p; 意味着指针指向的是一个 int 型的数据。

首先回答一下刚才那个问题，在 32 位系统中，一个指针变量在内存中占据 4 个字节的空间。因为 CPU 对内存空间寻址时，使用的是 32 位地址空间( 4 个字节)，也就是用 4 个字节就能存储一个内存单元的地址。而指针变量中的值存储的就是地址，所以需要 4 个字节的空间来存储一个指针变量的值。

示例：

在内存中的存储模型如下：

这里对两个操作符&和*进行说明：

*：这个操作符用在 2 个场景中：定义一个指针的时候，获取一个指针所指向的变量值的时候。

• int pa; 这个语句中的表示定义的变量 pa 是一个指针，前面的 int 表示 pa 这个指针指向的是一个 int 类型的变量。不过此时我们没有给 pa 进行赋值，也就是说此刻 pa 对应的存储单元中的 4 个字节里的值是没有初始化的，可能是 0x00000000，也可能是其他任意的数字，不确定；

• printf 语句中的 * 表示获取 pa 指向的那个 int 类型变量的值，学名叫解引用，我们只要记住是获取指向的变量的值就可以了。

int pa; 这个语句中的表示定义的变量 pa 是一个指针，前面的 int 表示 pa 这个指针指向的是一个 int 类型的变量。不过此时我们没有给 pa 进行赋值，也就是说此刻 pa 对应的存储单元中的 4 个字节里的值是没有初始化的，可能是 0x00000000，也可能是其他任意的数字，不确定；

printf 语句中的 * 表示获取 pa 指向的那个 int 类型变量的值，学名叫解引用，我们只要记住是获取指向的变量的值就可以了。

对指针变量的操作包括 3 个方面：

• 操作指针变量自身的值；
• 获取指针变量所指向的数据;
• 以什么样数据类型来使用/解释指针变量所指向的内容。

int a = 20；这个语句是定义变量 a，在随后的代码中，只要写下 a 就表示要操作变量 a 中存储的值，操作有两种：读和写。

printf(“a = %d n”, a); 这个语句就是要读取变量 a 中的值，当然是 20；

a = 100；这个语句就是要把一个数值 100 写入到变量 a 中。

同样的道理，int *pa；语句是用来定义指针变量 pa，在随后的代码中，只要写下 pa 就表示要操作变量 pa 中的值：

思考一下，如果执行这个语句 printf(“&pa =0x%x n”, &pa);，打印结果会是什么？

获取指针变量所指向的数据以什么样的数据类型来使用/解释指针变量所指向的内容

如下代码：

根据以上的描述，我们知道 printf 的打印结果会是 value = 30000，十进制的 30000 转成十六进制是 0x00007530，内存模型如下：

现在我们做这样一个测试：

这个例子中说明了一个重要的概念：在内存中一切都是数字，如何来操作(解释)一个内存地址中的数据，完全是由我们的代码来告诉编译器的。

以上内容，就是指针最根本的心法了。把这个心法整明白了，剩下的就是多见识、多练习的问题了。

指针的几个相关概念

3.1 const 属性

const 标识符用来表示一个对象的不可变的性质，例如定义：

在后面的代码中就不能改变变量 b 的值了，b 中的值永远是 20。同样的，如果用 const 来修饰一个指针变量：

内存模型如下：

与下面的代码区分一下：

这里的 const 没有放在 p 的旁边，而是放在了类型 int 的旁边，这就说明 const 符号不是用来修饰 p 的，而是用来修饰 p 所指向的那个变量的。所以，如果我们写 p = &b；把变量 b 的地址赋值给指针 p，就是合法的，因为 p 的值可以被改变。

但是这个语句*p = 21 就是非法了，因为定义语句中的 const 就限制了通过指针 p 获取的数据，不能被改变，只能被用来读取。这个性质常常被用在函数参数上，例如下面的代码，用来计算一块数据的 CRC 校验，这个函数只需要读取原始数据，不需要(也不可以)改变原始数据，因此就需要在形参指针上使用 const 修饰符：

3.2 void 型指针

关键字 void 并不是一个真正的数据类型，它体现的是一种抽象，指明不是任何一种类型，一般有 2 种使用场景：

• 函数的返回值和形参;
• 定义指针时不明确规定所指数据的类型，也就意味着可以指向任意类型。

指针变量也是一种变量，变量之间可以相互赋值，那么指针变量之间也可以相互赋值，例如：

变量 a 赋值给变量 b，指针 p1 赋值给指针 p2，注意到它们的类型必须是相同的：a 和 b 都是 int 型，p1 和 p2 都是指向 int 型，所以可以相互赋值。那么如果数据类型不同呢？ 必须进行强制类型转换。例如：

内存模型如下：

如果我们使用 void *p2 来定义 p2 指针，那么在赋值时就不需要进行强制类型转换了，例如：

指针 p2是void* 型，意味着可以把任意类型的指针赋值给 p2，但是不能反过来操作，也就是不能把 void* 型指针直接赋值给其他确定类型的指针，而必须要强制转换成被赋值指针所指向的数据类型，如下代码，必须把 p2 指针强制转换成 int* 型之后，再赋值给 p3 指针：

我们来看一个系统函数：

第一个参数类型是 void*，这正体现了系统对内存操作的真正意义：它并不关心用户传来的指针具体指向什么数据类型，只是把数据挨个存储到这个地址对应的空间中。

第二个参数同样如此，此外还添加了 const 修饰符，这样就说明了 memcpy 函数只会从src指针处读取数据，而不会修改数据。

3. 3 空指针和野指针

一个指针必须指向一个有意义的地址之后，才可以对指针进行操作。如果指针中存储的地址值是一个随机值，或者是一个已经失效的值，此时操作指针就非常危险了，一般把这样的指针称作野指针，C 代码中很多指针相关的 bug 就来源于此。

空指针：不指向任何东西的指针

在定义一个指针变量之后，如果没有赋值，那么这个指针变量中存储的就是一个随机值，有可能指向内存中的任何一个地址空间，此时万万不可以对这个指针进行写操作，因为它有可能指向内存中的代码段区域、也可能指向内存中操作系统所在的区域。

一般会将一个指针变量赋值为 NULL 来表示一个空指针，而 C 语言中，NULL 实质是 ((void*)0) ， 在 C++中，NULL 实质是 0。在标准库头文件 stdlib.h中，有如下定义：

野指针：地址已经失效的指针

我们都知道，函数中的局部变量存储在栈区，通过 malloc 申请的内存空间位于堆区，如下代码：

内存模型为：

在堆区申请了 4 个字节的空间，然后强制类型转换为 int* 型之后，赋值给指针变量 p，然后通过 *p 设置这个地址中的值为 14，这是合法的。如果在释放了 p 指针指向的空间之后，再使用 *p 来操作这段地址，那就是非常危险了，因为这个地址空间可能已经被操作系统分配给其他代码使用，如果对这个地址里的数据强行操作，程序立刻崩溃的话，将会是我们最大的幸运！

指向不同数据类型的指针

4.1 数值型指针

通过上面的介绍，指向数值型变量的指针已经很明白了，需要注意的就是指针所指向的数据类型。

4.2 字符串指针

字符串在内存中的表示有 2 种：

• 用一个数组来表示，例如：char name1[8] = “zhangsan”;
• 用一个 char *指针来表示，例如：char *name2 = “zhangsan”;

name1 在内存中占据 8 个字节，其中存储了 8 个字符的 ASCII 码值；name2 在内存中占据 9 个字节，因为除了存储 8 个字符的 ASCII 码值，在最后一个字符’n’的后面还额外存储了一个”，用来标识字符串结束。

对于字符串来说，使用指针来操作是非常方便的，例如：变量字符串 name2:

在 while 的判断条件中，检查 p 指针指向的字符是否为结束符”。

在循环体重，打印出当前指向的字符之后，对指针比那里进行自增操作，因为指针 p 所指向的数据类型是 char，每个 char 在内存中占据一个字节，因此指针 p 在自增 1 之后，就指向下一个存储空间。

也可以把循环体中的 2 条语句写成 1 条语句：

假如一个指针指向的数据类型为 int 型，那么执行 p = p + 1;之后，指针 p 中存储的地址值将会增加 4，因为一个 int 型数据在内存中占据 4 个字节的空间，如下所示：

思考一个问题：void* 型指针能够递增吗？如下测试代码：

打印结果如下：

说明 void* 型指针在自增时，是按照一个字节的跨度来计算的。

4.3 指针数组与数组指针

这 2 个说法经常会混淆，至少我是如此，先看下这 2 条语句：

指针数组

第 1 条语句中：中括号[]的优先级高，因此与 p1 先结合，表示一个数组，这个数组中有 3 个元素，这 3 个元素都是指针，它们指向的是 int 型数据。

可以这样来理解：如果有这个定义 char p[3]，很容易理解这是一个有 3 个 char 型元素的数组，那么把 char 换成 int*，意味着数组里的元素类型是 int*型(指向 int 型数据的指针)。内存模型如下(注意：三个指针指向的地址并不一定是连续的)：

如果向指针数组中的元素赋值，需要逐个把变量的地址赋值给指针元素：

数组指针

第 2 条语句中：小括号让 p2 与 * 结合，表示 p2 是一个指针，这个指针指向了一个数组，数组中有 3 个元素，每一个元素的类型是 int 型。可以这样来理解：如果有这个定义 int p[3]，很容易理解这是一个有 3 个 char 型元素的数组，那么把数组名 p 换成是 *p2，也就是 p2 是一个指针，指向了这个数组。内存模型如下(注意：指针指向的地址是一个数组，其中的 3 个元素是连续放在内存中的)：

在前面我们说到取地址操作符&，用来获得一个变量的地址。凡事都有特殊情况，对于获取地址来说，下面几种情况不需要使用&操作符：

• 字符串字面量作为右值时，就代表这个字符串在内存中的首地址；
• 数组名就代表这个数组的地址，也等于这个数组的第一个元素的地址;
• 函数名就代表这个函数的地址。

因此，对于一下代码，三个 printf 语句的打印结果是相同的：

思考一下，如果对这里的 p2 指针执行 p2 = p2 + 1；操作，p2 中的值将会增加多少？

答案是 12 个字节。因为 p2 指向的是一个数组，这个数组中包含 3 个元素，每个元素占据 4 个字节，那么这个数组在内存中一共占据 12 个字节，因此 p2 在加 1 之后，就跳过 12 个字节。

4.4 二维数组和指针

一维数组在内存中是连续分布的多个内存单元组成的，而二维数组在内存中也是连续分布的多个内存单元组成的，从内存角度来看，一维数组和二维数组没有本质差别。

和一维数组类似，二维数组的数组名表示二维数组的第一维数组中首元素的首地址，用代码来说明：

打印结果是：

我们拿第一个 printf 语句来分析：p0 是一个指针，指向一个数组，数组中包含 3 个元素，每个元素在内存中占据 4 个字节。现在我们想获取这个数组中的数据，如果直接对 p0 执行加 1 操作，那么 p0 将会跨过 12 个字节(就等于 p1 中的值了)，因此需要使用解引用操作符 *，把 p0 转为指向 int 型的指针，然后再执行加 1 操作，就可以得到数组中的 int 型数据了。

4.5 结构体指针

C 语言中的基本数据类型是预定义的，结构体是用户定义的，在指针的使用上可以进行类比，唯一有区别的就是在结构体指针中，需要使用->箭头操作符来获取结构体中的成员变量，例如：

Student s;s.age = 20; strcpy(s.name, “lisi”); Student *p = &s;printf( “age = %d, name = %s n”, p->age, p->name);

看起来似乎没有什么技术含量，如果是结构体数组呢？例如：

打印结果是：

在执行 p++操作后，p 需要跨过的空间是一个结构体变量在内存中占据的大小(12 个字节)，所以此时 p 就指向了数组中第 2 个元素的首地址，内存模型如下：

4.6 函数指针

每一个函数在经过编译之后，都变成一个包含多条指令的集合，在程序被加载到内存之后，这个指令集合被放在代码区，我们在程序中使用函数名就代表了这个指令集合的开始地址。

函数指针，本质上仍然是一个指针，只不过这个指针变量中存储的是一个函数的地址。函数最重要特性是什么？可以被调用！因此，当定义了一个函数指针并把一个函数地址赋值给这个指针时，就可以通过这个函数指针来调用函数。

如下示例代码：

intmain {inta = 1, b = 2; int(*p)( int, int); p = add;printf( “%d + %d = %dn”, a, b, p(a, b)); }

前文已经说过，函数的名字就代表函数的地址，所以函数名 add 就代表了这个加法函数在内存中的地址。int (*p)(int, int)；这条语句就是用来定义一个函数指针，它指向一个函数，这个函数必须符合下面这 2 点(学名叫：函数签名)：

• 有 2 个 int 型的参数;
• 有一个 int 型的返回值。

代码中的 add 函数正好满足这个要求，因此，可以把 add 赋值给函数指针 p，此时 p 就指向了内存中这个函数存储的地址，后面就可以用函数指针 p 来调用这个函数了。

在示例代码中，函数指针 p 是直接定义的，那如果想定义 2 个函数指针，难道需要像下面这样定义吗？

这里的参数比较简单，如果函数很复杂，这样的定义方式岂不是要烦死？可以用 typedef 关键字来定义一个函数指针类型：

然后用这样的方式 pFunc p1, p2；来定义多个函数指针就方便多了。注意：只能把与函数指针类型具有相同签名的函数赋值给 p1 和 p2，也就是参数的个数、类型要相同，返回值也要相同。

注意：这里有几个小细节稍微了解一下：

• 在赋值函数指针时，使用 p = &a；也是可以的；
• 使用函数指针调用时，使用(*p)(a, b)；也是可以的。

这里没有什么特殊的原理需要讲解，最终都是编译器帮我们处理了这里的细节，直接记住即可。

函数指针整明白之后，再和数组结合在一起：函数指针数组。示例代码如下：

intmain {inta = 4, b = 2; int(*p[ 4])( int, int); p[ 0] = add; p[ 1] = sub; p[ 2] = mul; p[ 3] = divide; printf( “%d + %d = %d n”, a, b, p[ 0](a, b)); printf( “%d – %d = %d n”, a, b, p[ 1](a, b)); printf( “%d * %d = %d n”, a, b, p[ 2](a, b)); printf( “%d / %d = %d n”, a, b, p[ 3](a, b)); }

这条语句不太好理解：int (*p[4])(int, int);，先分析中间部分，标识符 p 与中括号[]结合(优先级高)，所以 p 是一个数组，数组中有 4 个元素；然后剩下的内容表示一个函数指针，那么就说明数组中的元素类型是函数指针，也就是其他函数的地址，内存模型如下：

如果还是难以理解，那就回到指针的本质概念上：指针就是一个地址！这个地址中存储的内容是什么根本不重要，重要的是你告诉计算机这个内容是什么。如果你告诉它：这个地址里存放的内容是一个函数，那么计算机就去调用这个函数。那么你是如何告诉计算机的呢，就是在定义指针变量的时候，仅此而已！

总结

我已经把自己知道的所有指针相关的概念、语法、使用场景都作了讲解，就像一个小酒馆的掌柜，把自己的美酒佳肴都呈现给你，但愿你已经酒足饭饱！

如果以上的内容太多，一时无法消化，那么下面的这两句话就作为饭后甜点为您奉上，在以后的编程中，如果遇到指针相关的困惑，就想一想这两句话，也许能让你茅塞顿开。

• 指针就是地址，地址就是指针。
• 指针就是指向内存中的一块空间，至于如何来解释/操作这块空间，由这个指针的类型来决定。

另外还有一点嘱咐，那就是学习任何一门编程语言， 一定要弄清楚内存模型，内存模型，内存模型！

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