浅谈指针

囧仙 · 2020-05-15 20:57:45 · 个人记录

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• - $0.1$ 定义 - $0.2$ 大小&基本操作
• - $1.1$ 运算符 - $1.2$ 地址偏移
• - $2.1$ 别名 - $2.2$ 申请内存 - $2.3$ 函数传参 - $2.4$ 下标偏移
• - $4.1$ 字符数组 - $4.2$ 函数指针 - $4.3$ 万能指针
• 总结

\texttt{Part 0} 啥是指针

\texttt{Part 0.1} 定义

在计算机科学中，指针（英语：\rm Pointer），是编程语言中的一类数据类型及其对象或变量，用来表示或存储一个存储器地址，这个地址的值直接指向（\rm points to）存在该地址的对象的值。

——引用自维基百科。

简单来说，一个\bf type类型的指针就是用来存储\bf type类型的变量/常量的地址的东西。

几个例子：

int *a;     //一个指向int变量地址的指针
char *b;    //一个指向char变量地址的指针
int **c;    //一个指向[int类型指针]的地址的指针

\texttt{Part 0.2} 大小&运算

不同的数据类型对指针所占用的内存大小有什么关联呢？我们可以用sizeof(p)来获取指针p所占用的空间。

以下是一个检测指针所占内存的程序。

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
char *a; int *b; string *c;
struct Node{
    int u,v,w;
}*d;
int main(){
    printf("size of a = %d\n",sizeof(a));
    printf("size of b = %d\n",sizeof(b));
    printf("size of c = %d\n",sizeof(c));
    printf("size of d = %d\n",sizeof(d));
    return 0;
}

在32位操作系统下，输出均为4(\tt{Byte})，而在64位操作系统（如洛谷\rm IDE），输出的结果均为8(\tt{Byte})。也就是说，指针占用的内存与类型无关，只与操作系统有关。

\texttt{Part 1} 指针的运算

\texttt{Part 1.1} 运算符

在指针里，有两个非常重要的运算：取地址（一般为&运算符），以及间接寻址（一般为*运算符）。

给指针赋值时，由于指针实际存储的是地址，因此我们需要获得指向的变量的地址。比如说，int a; int *p=&a，就是将int类型的变量a的地址赋给了p。取地址和间接寻址互为逆运算，也就是说，我们使用*p就可以取得变量a的数值了。同样，也可以通过*p=b来将a的值赋为b。

但是，有关地址的运算符不止这两个。这里补充一下[]运算符。

假如你使用了一条语句int A[100]，来定义了一个长度为100，下标范围是[0,100)的数组A。这时候，你可以使用[]运算符来获取A数组某一位的值。比如说，A[20]就可以获得数组中第21个变量的值，A[50]=3就可以把数组中第51个变量赋值为3。

事实上，A相当于一个整形指针，它存储的值就是分配到的这个长度为100的数组的第一个元素。假如你定义了一个int指针p，并且将p赋值为了A（即p=A，不需要&运算符），那么p[20]返回的其实就是A[20]；p[50]=3就相当于A[50]=3。

\texttt{Part 1.2} 地址偏移

上文提到，假如我们定义了int A[100]，实际上就是让系统分配给了我们一个长度为100的内存，并让A指向这段内存的第一位。

事实上，你可以认为内存的分配是连续的（虽然在底层可能不连续）。也就是说，假如数组第一位的地址为0xff00，那么第二位就是0xff04，第三位就是0xff08，（每个int类型占4个字节），第n位就是0xff00+4*n。因此，A[x]本质上就是*(A+x)，也就是将第一位的地址向后偏移了\rm sizeof(int)\it \times x位。

多维数组的分配方式略有不同。多维数组实际占用的内存大小就是每一位的乘积。char A[20][30]就是分配了一个长度为20\times 30=600的字符数组。实际上，我们取A[10][15]的值，就是取了*(A+10*30+15)（第一个*是间接寻址运算符，第二个是乘号）。也就是说，多维数组在实现方面就是展开成一维数组。但是，多维数组的指针的定义比较特殊。假如有一个数组A[20][30]，那么定义它的指针应当是int (*p)[30]。为什么要这样呢？如果编译器不知道数组第二维的长度，就无法知道如何偏移。

此外，p+200实际上是向后数了200个p指针的类型长度的地址。这也就是为什么指针要明确类型。

\texttt{Part 2} 应用

学过了上面的基础知识，让我们看看指针有啥好玩的用处吧。

\texttt{Part 2.1} 别名

这是一个很多教材都会使用的例子。假如我们要频繁访问一个名字很长的东西（比如int数组A[B[i][j]+C[j][i]][k])，那么我们完全可以用指针缩短长度。比如上例中，可以直接写成int *p=&(A[B[i][j]+C[j][i]][k])，下面操作的时候就可以直接使用*p来调用了。

用别名还有一个好处。假如我们需要交换两个数组A，B（或者结构体），逐次交换显然非常浪费时间。但假如我们用了两个指针int *_A=A,*_B=B来分别指向这两个数组，那么交换的时候直接交换指针就非常快速了。

（当然，交换名字实际上并没有改变内存的实际情况。因此如果需要交换数组的某一部分，还是要逐个交换。

一个简单的实验：