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第11章 指针
——我记不清第十一条戒律是“你应该计算”还是“你不应该计算”了。
指针是C语言最重要——也是最常被误解——的特性之一。由于指针的重要性，本书将用3章的篇幅对其进行讨论。本章侧重于基础知识，而第12章和第17章则介绍指针的高级应用。
本章将从内存地址及其与指针变量的关系入手（11.1节），然后11.2节介绍取地址运算符和间接寻址运算符，11.3节探讨指针赋值的内容，11.4节说明给函数传递指针的方法，而11.5节则讨论从函数返回指针。
11.1 指针变量
理解指针的第一步是在机器级上观察指针表示的内容。大多数现代计算机将内存分割为字节（byte），每个字节可以存储8位的信息。
0 1 0 1 0 0 1 1
每个字节都有唯一的地址（address），用来和内存中的其他字节相区别。如果内存中有n个字节，那么可以把地址看作0~n-1的数。
地址 内容
0 01010011
1 01110101
2 01110011
....
n-1 01000011
可执行程序由代码（原始C程序中与语句对应的机器指令）和数据（原始程序中的变量）两部分构成。程序中的每个变量占有一个或多个字节内存，把第一个字节的地址称为变量的地址。下图中，变量i占有地址为2000和2001的两个字节，所以变量i的地址是2000：
i--------
地址 .... 2000 2001 ....
内容 .... xxxx xxxx ....
11.1.1 指针变量的声明
对指针变量的声明与对普通变量的声明基本一样，唯一的不同就是必须在指针变量名字前放置星号：
int *p;
int i, j, a[10], b[20], *p, *q;
在这个例子中，i和j都是普通整型变量，a和b是整型数组，而p和q是指向整型对象的指针。
C语言要求每个指针变量只能指向一种特定类型（引用类型）的对象：
int *p; /* points only to integers */
double *q; /* points only to doubles */
char *r; /* points only to characters */
至于引用类型是什么类型则没有限制。事实上，指针变量甚至可以指向另一个指针，即指向指针的指针（17.6节）。
11.2 取地址运算符和间接寻址运算符
11.2.1 取地址运算符
声明指针变量是为指针留出空间，但是并没有把它指向对象：
int *p; /* points nowhere in particular */
在使用前初始化p是至关重要的。一种初始化指针变量的方法是使用&运算符把某个变量的地址赋给它，或者更常采用左值（4.2节）：
int i, *p;
...
p = &i;
在声明指针变量的同时对它进行初始化是可行的：
int i;
int *p = &i;
//甚至可以把i的声明和p的声明合并，但是需要首先声明i：
int i, *p = &i;
11.2.2 间接寻址运算符
一旦指针变量指向了对象，就可以使用*运算符访问存储在对象中的内容。例如，如果p指向i，那么可以显示出i的值，如下所示：
printf("%d\n", *p);
//printf函数将显示i的值，而不是i的地址。
习惯于数学思维的读者可能希望把*想象成&的逆运算。实际上，对变量使用&运算符产生指向变量的指针，而对指针使用*运算符则可以返回到原始变量：
j = *&i; //等同于 j = i;
只要p指向i，*p就是i的别名。*p不仅拥有和i相同的值，而且对*p的改变也会改变i的值。（*p是左值，所以对它赋值是合法的。）
p = &i;
i = 1;
printf("%d\n", i); /* prints 1 */
printf("%d\n", *p); /* prints 1 */
*p = 2;
printf("%d\n", i); /* prints 2 */
printf("%d\n", *p); /* prints 2 */
int *p;
printf("%d", *p); /*** WRONG ***/
/*
给*p赋值尤其危险。如果p恰好具有有效的内存地址，下面的赋值会试图修改存储在该地址的数据：
*/
int *p;
*p = 1; /*** WRONG ***/
11.3 指针赋值
C语言允许使用赋值运算符进行指针的复制，前提是两个指针具有相同的类型。假设i、j、p和q声明如下：
int i, j, *p, *q;
*p = 1;
*q = 2;
注意不要把q = p;和*q = *p搞混。第一条语句是指针赋值，而第二条语句不是。就如下面的例子：
p = &i;
q = &j;
i = 1;
*q = *p;
赋值语句*q = *p;是把p指向的值（i的值）复制到q指向的对象（变量j）中。
11.4 指针作为参数
在9.3节中我们看到，因为C语言用值进行参数传递，所以在函数调用中用作实际参数的变量无法改变。当希望函数能够改变变量时，C语言的这种特性就很讨厌了。
指针提供了此问题的解决方法：不再传递变量x作为函数的实际参数，而是提供&x，即指向x的指针。声明相应的形式参数p为指针。调用函数时，p的值为&x，因此*p（p指向的对象）将是x的别名。函数体内*p的每次出现都将是对x的间接引用，而且函数既可以读取x也可以修改x。
void decompose(double x, long *int_part, double *frac_part)
{
*int_part = (long) x;
*fract_part = x - *int_part;
}
decompose函数的原型既可以是
void decompose(double x, long *int_part, double *frac_part);
也可以是
void decompose(double, long *, double *);
以下列方式调用decompose函数：
decompose(3.14159, &i, &d);
用指针作为函数的实际参数实际上并不新鲜，从第2章开始就已经在scanf函数调用中使用了。思考下面的例子：
int i;
...
scanf("%d", &i);
须把&放在i的前面以便给scanf函数传递指向i的指针，指针会告诉scanf函数把读取的值放在哪里。如果没有&运算符，传递给scanf函数的将是i的值。
虽然scanf函数的实际参数必须是指针，但并不总是需要&运算符。在下面的例子中，我们向scanf函数传递了一个指针变量：
int i, *p;
...
p = &i;
scanf("%d", p);
既然p包含了i的地址，那么scanf函数将读入整数并且把它存储在i中。在调用中使用&运算符将是错误的：
scanf("%d", &p); /*** WRONG ***/
//scanf函数读入整数并且把它存储在p中而不是i中。
11.4.1 找出数组中的最大元素和最小元素
为了说明如何在函数中传递指针，下面来看一个名为max_min的函数，该函数用于找出数组中的最大元素和最小元素。调用max_min函数时，将传递两个指向变量的指针；然后max_min函数把答案存储在这些变量中。max_min函数具有下列原型：
void max_min(int a[], int n, int *max, int *min);
max_min函数的调用可以具有下列的形式：
max_min(b, N, &big, &small);
Enter 10 numbers: 34 82 49 102 7 94 23 11 50 31
Largest: 102
Smallest: 7
/*
maxmin.c
--Finds the largest and smallest elements in an array
*/
#include <stdio.h>
#define N 10
void max_min(int a[], int n, int *max, int *min);
int main(void)
{
int b[N], i, big, small;
printf("Enter %d numbers: ", N);
for (i = 0; i < N; i++)
scanf("%d", &b[i]);
max_min(b, N, &big, &small);
printf("Largest: %d\n", big);
printf("Smallest: %d\n", small);
return 0;
}
void max_min(int a[], int n, int *max, int *min)
{
int i;
*max = *min = a[0];
for (i = 1; i < n; i++) {
if(a[i] > *max)
*max = a[i];
else if(a[i] < *min)
*min = a[i];
}
}
11.4.2 用const保护参数
当调用函数并且把指向变量的指针作为参数传入时，通常会假设函数将修改变量（否则，为什么函数需要指针呢？）。例如，如果在程序中看到语句：f(&x);
大概是希望f改变x的值。但是，f也可能仅需要检查x的值而不是改变它的值。指针可能高效的原因是，如果变量需要大量的存储空间，那么传递变量的值会浪费时间和空间。
11.5 指针作为返回值
我们不仅可以为函数传递指针，而且还可以编写返回指针的函数。返回指针的函数是相对普遍的，第13章中将遇到几个。
int *max(int *a, int *b)
{
if (*a > *b)
return a;
else
return b;
}
调用max函数时，用指向两个int类型变量的指针作为参数，并且把结果存储在一个指针变量中：
int *p, i, j;
...
p = max(&i, &j);
调用max期间，*a是i的别名，而*b是j的别名。如果i的值大于j，那么max返回i的地址；否则，max返回j的地址。调用函数后，p或者指向i，或者指向j。
指针可以指向数组元素，而不仅仅是普通变量。设a为数组，则&a[i]是指向a中元素i的指针。当函数的参数中有数组时，返回一个指向数组中的某个元素的指针有时是挺有用的。
例如，下面的函数假定数组a有n个元素，并返回一个指向数组中间元素的指针：
int *find_middle(int a[], int n) {
return &a[n/2];
}
//第12章会详细讨论指针和数组的关系。
问与答
答：通常是，但不总是。考虑用字而不是字节划分内存的计算机。字可能包含36位、60位等。
当用字划分内存时，每个字都有一个地址。通常整数占一个字长度，所以指向整数的指针可以就是一个地址。但是，字可以存储多于一个的字符。例如，36位的字可以存储6个6位的字符，或者4个9位的字符。
由于这个原因，可能需要用不同于其他指针的格式存储指向字符的指针。指向字符的指针可以由地址（存储字符的字）加上一个小整数（字符在字内的位置）组成。
在一些计算机上，指针可能是“偏移量”而不完全是地址。例如，Intel x86 CPU（用于许多个人计算机）可以在多种模式下执行程序。最老的模式称为实模式（real mode），可以追溯到1978年的8086处理器。在这种模式下，地址有时用一个16位数（偏移量）表示，有时用两个16位数（段—偏移量对）表示。偏移量不是真正的内存地址，CPU必须把它和存储在专用寄存器中的段值结合起来。为了支持实模式，旧的C语言编译器通常提供两种指针：近指针（16位偏移量）和远指针（32位段—偏移量对）。这些编译器通常保留单词near和far作为非标准关键字，用于指针变量的声明。
答：可能。17.7节将介绍指向函数的指针。
答：造成困惑的根源在于，根据使用上下文的不同，C语言中的*号可以有多种含义。
在声明int *p = &i;中，*号不是间接寻址运算符，其作用是指明p的类型以便告知编译器p是一个指向int类型变量的指针；而在语句中出现时，*号（作为一元运算符使用时）会执行间接寻址。
语句*p = &i;是不正确的，因为它把i的地址赋给了p指向的对象，而不是p本身。
答：任何指针（包括变量的地址）都可以通过调用printf函数并在格式串中使用转换说明%p来显示。详见22.3节。
答：不是。这说明不能改变指针p指向的整数，但是并不阻止f改变p自身。
void f(const int *p)
{
int j;
*p = 0; /*** WRONG ***/
p = &j; /* legal */
}
因为实际参数是值传递的，所以通过使指针指向其他地方的方法给p赋新值不会对函数外部产生任何影响。
答：是合法的。然而效果不同于把const放在p的类型前面。在11.4节中已经见过在p的类型前面放置const可以保护p指向的对象。在p的类型后面放置const可以保护p本身:
void f(int * const p)
{
int j;
*p = 0; /* legal */
p = &j; /*** WRONG ***/
}
这一特性很少用到。因为p仅仅是另一个指针（调用函数时的实际参数）的副本，所以极少有什么理由保护它。
更罕见的一种情况是需要同时保护p和它所指向的对象，这可以通过在p类型的前后都放置const来实现：
void f(const int * const p)
{
int j;
*p = 0; /*** WRONG ***/
p = &j; /*** WRONG ***/
}
