指针在C语言中是个很重要的概念，我更多从类比并结合计算机硬件的角度开始引入概念。

我也是初学者，指针也确实是个很容易被误解的概念，请多指教，评论区留言误区一般时间1h内会回。

1. 引入指针

1.1 简要理解

在之前的《谈谈printf()和scanf() | C语言基础》文章中，讲到变量的时候说过，变量每次创建同时会在内存中分配其一个空间。

我们从高中时期或者更早就了解过计算机硬件的简单知识，如下导图（=>完整版指路）。

从本质理解指针的那些知识 | C语言基础-Nibbles Blog

我们知道计算机上CPU（Central Processing Unit 中央处理器）在处理数据的时候，会从内存中读取数据，处理后的数据也会放回内存中。内存中为了高效管理空间，会把内存分为一个个的内存单元，一单元一字节，且每个单元都有自己的既定的地址。

更简单地，可以把内存想象成为一栋按房间编号管理的宿舍楼，然后每个“房间”就容纳一个字节，如果寝室内发生什么事儿，门牌号就是宿管找到你们寝室的地址。

所以类比下，当CPU需要一段数据时候，必须要有个准确的门牌号，否则就无从找到目标。C语言中这个门牌号就叫做“指针”，指针你可以看作地址的另一个叫法。

1.2 拓展：从硬件角度理解 【想了解的可以点此展开】

一般理解到这里就差不多了，不过也许有人觉得这样解释地还是过于简单，那从再从硬件角度来看指针是如何起作用的（博主大一还没学计算机组成之类的课，仅为自主课外拓展和理解）。

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当我们写下 int* pa = &a; 并执行时，（假设 a 是前文已经定义过的变量，基础知识回顾：&是取地址操作符，故 &a 即代表 a 变量存储在内存中的地址），编译器会把 pa （指针本身）的数值写入CPU的MAR（寄存器）中。

随后地址总线将这一串二进制位送往内存控制器，内存条内部的译码电路接收到地址后找到确切的内存单元。接着数据总线把地址 &a 存储到MDR，再将其返回寄存器或缓存。

部分概念再类比上述例子，按执行顺序排列：

  • Memory Address Register (MAR)：CPU 内部的寄存器，用来暂存即将访问的内存地址；相当于把“门牌号”写在便签上准备递给内存系统。一般为单向的（CPU → 内存/IO）。
  • 地址总线 (Address Bus)：把 MAR 中的地址位输出到主板/芯片上的地址导线上，送往内存控制器。如同走廊/道路网络，负责把门牌号传递到内存。（现代主流芯片物理地址线 39–52 位，但方便说明）假设其线的条数=CPU的字长（64位或32位，32位有时也表达为x86），比如32位机器下常见有32根地址总线产生的2进制序列作为一个地址，一个地址有32位，常需要4个字节。（32bit=4Byte）存储。
  • 行列译码器：含译码电路，在内存芯片内部决定“第几层楼、第几号房”，锁定内存单元。
  • 数据总线 (Data Bus)：把目标单元中的数据从内存传回 CPU，也可以在写操作时把数据送入内存。是种双向的总线（读时内存 → CPU，写时 CPU → 内存）。
  • Memory Data Register (MDR)：又叫 Memory Buffer Register (MBR)，也是一种CPU内部的寄存器，负责在 CPU 与内存之间暂存刚读到的数据或待写出的数据；可将其看作各个房间之间投递的快递员的手中的包裹。
  • 缓存（Cache）：热数据暂存地，加快访问（若命中缓存，即可直接MAR → MDR），但不影响“地址=定位信息”的本质。

从本质上讲，指针只是一串能够唯一定位某个内存单元的地址数字（比如x64下Debug时形如0x000000CD3450F6E4的十六进制数）。它本身不保存数据，而是告诉程序“你要的数据在哪里”。

2. 指针变量

2.1 基本格式和大小

在 C 语言里，我们仍然需要一个变量来存放这串地址数字，这样的变量我们称之为“指针变量”。

#include <stdio.h>

int main()
{
    int a = 10;
    int* pa = &a;
    printf("%p", pa);
}

如上，声明时候的* 号在说明 pa 即为指针变量，指针变量内保存的是 a 变量的值的地址，然后通过 printf() 来打印出来。

如下，a 变量赋值为10，&a定位到地址发现已经被存入了内存中（00 00 00 0a，逆序，这里的a是代表十六进制表达下的10）。也就是 pa 并不直接持有 10 整数的值，而是保存了 a 所在内存单元的地址。
VS中内存窗口

你可能会好奇，那指针变量是存的地址，每个地址的大小在机器里就已经固定好了的，那么指针变量大小和地址大小一样，为什么还要在声明指针变量的时候去写上类型呢？

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原因在于：当我们沿着地址取数时，必须事先知道打算读取多少字节。int*
“告诉”编译器，一步跨四格；char* “告诉”它，一次只走一格。这样既能保证数据对齐，也能避免读写越界。

后文 2.2指针操作中的“± 整数值”部分也有讲解。

一次走几格，我们来看看指针变量的各种操作。

2.2 指针操作/应用

解引用操作符 *

又称间接寻址运算符。这个主要是为了解决找到地址指向的对象。你看我们存地址也是有需要取出来用的时候。C语言中利用解引用操作符 * ，来通过已知指针变量找到其指向的变量。

看下面的案例，注意只有在指针变量名前面加的 * 才算是解引用操作符。int* 中的 * 不是。

#include <stdio.h>
int main()
{
    int a = 10;
    int* pa = &a;
    *pa = 0;
    printf("%d", a);
}

如上这个很简单的案例，其中*pa 就是通过 pa 指针变量中存放的地址，找到指向的 a 变量。而且可以利用此方法间接修改了a 变量的值，此代码执行后输出0。

这样的间接修改的方式，相比直接 a = 0; 来说，对变量的调用等操作更加灵活。

注意：在 C 里进行解引用必须满足以下前提——

  • 指针非空（不为 NULL）；
  • 指针指向的地址处于程序已分配的有效内存范围；
  • 解引用类型与目标对象匹配，以免因字节对齐或大小差异造成未定义行为。

± 整数值

这个主要是为了解决上文2.1末说的“一步跨几格”的问题。看下示意图 ptr-2 的部分更易理解：
加减整数值效果图解

#include <stdio.h>
int main()
{
    // [模拟Debug逐行执行过程]
    int ages[4] = { 0, 1, 2, 3 };  
    // 创建数组ages: { 0, 1, 2, 3 }
    int* ptr = &ages[2];  
    // ptr是ages数组第三个元素的指针变量
    *ptr = 8;  
    // 修改第三个元素为8 => 数组ages: { 0, 1, 8, 3 }
    ptr++;
    // ptr是ages数组第四个元素的指针变量
    *(ptr - 2) = 9;
    // 修改第二个元素为9 => 数组ages: { 0, 9, 8, 3 }
}

按上面这个案例，因为数组元素在内存中是连续存放的。指针往前移动一步两步是直接由加减后面的整数来得知的，非常显然。

但是如果从其十六进制地址数字来看，地址的数字又增加了多少呢？

#include <stdio.h>
int main()
{
    int n = 10;
    int* pi = &n;  
    // 原先int类型的地址赋给指针变量pi
    char* pc = (char*)&n; 
    // 强转int类型的地址为char类型的地址，赋给指针变量pc

    // 自C99标准起，把指针强转为 void* 才是完全符合标准
    // 往右滑，有对齐的便于观察的输出结果
    printf("  &n   = %p\n", (void*)&n);     // Output:   &n   = 00AFF974
    printf("  pi   = %p\n", (void*)pi);     // Output:   pi   = 00AFF974
    printf("pi + 1 = %p\n", (void*)pi + 1); // Output: pi + 1 = 00AFF978
    printf("  pc   = %p\n", (void*)pc);     // Output:   pc   = 00AFF974
    printf("pc + 1 = %p\n", (void*)pc + 1); // Output: pc + 1 = 00AFF975
}

我们看到原来的 int* 声明的指针变量 pi 的十六进制地址 ，在 pi + 1 后 +4（sizeof(int)），这就是“一步跨四格”；原来的 char* 声明的指针变量 pc，在 pc + 1 后 +1(sizeof(char))，这就是“一步跨一格”。

指针 – 指针

实际应用案例比如在数组中可以表示元素个数差，也可以在数组中限定要遍历的范围。（如下）

在算法场景中也有用于“快慢指针”算法的长度统计等等。

#include <stdio.h>

int main()
{
    int nums[5] = {10, 20, 30, 40, 50};
    int *left  = &nums[1];   // 左指针
    int *right = &nums[4];   // 右指针

    // gap元素个数差
    int gap = right - left; 
    printf("gap = %d\n", gap); 
    //Output: gap = 3

    // 用左右指针遍历区间 [left, right) 
    for (int *p = left; p != right; ++p)
    {
        printf("%d ", *p);      
    }              // Output:20 30 40
    puts("");      // 换行
}

注意：两个指针必须指向同一个连续对象（通常是同一数组，或者刚好其一指针指向结尾位置）才能安全相减，否则跨数组或随意相减会导致未定义行为。

函数内实现两个值的改变

比如说写一个交换函数 swap() ：

#include <stdio.h>
void swap(int*, int*);
int main()
{
    int a=3, b=5;
    swap(&a, &b);
    printf("%d, %d\n", a, b);
}
void swap(int *p1, int *p2)
{
    int t;
    t = *p1;
    *p1 = *p2;
    *p2 = t;
}

实际上，这样的值传递，地址没有改变，存放的变量的值改变了。

总结下要使某个变量的值通过函数调用发生改变：

  1. 在主调函数中，把该变量的地址作为实参
  2. 在被调函数中，用形参(指针)接受地址
  3. 在被调函数中，改变形参(指针)所指向变量的值

3* 写在最后：

Q：为什么我还是继续在更C语言内容的原因？

A：首先我们学校的进度偏慢吧，而且我自己也对这部分的知识点的学习发散得也多。（我后续的学习计划会加入Java，静待更新吧~）

由此就会有很多的知识堆积在脑海中，我希望通过费曼的方式把这些知识用公众号（博客）文章的形式进行结构化输出。

所以其实我不是一个技术大牛，也是个不断学习者。如果你有发现什么错误，欢迎留言！我将速速赶到然后与你交流技术话题。