练习15：指针，可怕的指针

# 练习15：指针，可怕的指针 > 原文：[Exercise 15: Pointers Dreaded Pointers](http://c.learncodethehardway.org/book/ex15.html) > 译者：[飞龙](https://github.com/wizardforcel) 指针是C中的一个著名的谜之特性，我会试着通过教授你一些用于处理它们的词汇，使之去神秘化。指针实际上并不复杂，只不过它们经常以一些奇怪的方式被滥用，这样使它们变得难以使用。如果你避免这些愚蠢的方法来使用指针，你会发现它们难以置信的简单。 要想以一种我们可以谈论的方式来讲解指针，我会编写一个无意义的程序，它以三种方式打印了一组人的年龄： ```c #include int main(int argc, char *argv[]) { // create two arrays we care about int ages[] = {23, 43, 12, 89, 2}; char *names[] = { "Alan", "Frank", "Mary", "John", "Lisa" }; // safely get the size of ages int count = sizeof(ages) / sizeof(int); int i = 0; // first way using indexing for(i = 0; i < count; i++) { printf("%s has %d years alive.\n", names[i], ages[i]); } printf("---\n"); // setup the pointers to the start of the arrays int *cur_age = ages; char **cur_name = names; // second way using pointers for(i = 0; i < count; i++) { printf("%s is %d years old.\n", *(cur_name+i), *(cur_age+i)); } printf("---\n"); // third way, pointers are just arrays for(i = 0; i < count; i++) { printf("%s is %d years old again.\n", cur_name[i], cur_age[i]); } printf("---\n"); // fourth way with pointers in a stupid complex way for(cur_name = names, cur_age = ages; (cur_age - ages) < count; cur_name++, cur_age++) { printf("%s lived %d years so far.\n", *cur_name, *cur_age); } return 0; } ``` 在解释指针如何工作之前，让我们逐行分解这个程序，这样你可以对发生了什么有所了解。当你浏览这个详细说明时，试着自己在纸上回答问题，之后看看你猜测的结果符合我对指针的描述。 ex15.c:6-10 创建了两个数组，`ages`储存了一些`int`数据，`names`储存了一个字符串数组。 ex15.c:12-13 为之后的`for`循环创建了一些变量。 ex15.c:16-19 你知道这只是遍历了两个数组，并且打印出每个人的年龄。它使用了`i`来对数组索引。 ex15.c:24 创建了一个指向`ages`的指针。注意`int *`创建“指向整数的指针”的指针类型的用法。它很像`char *`，意义是“指向字符的指针”，而且字符串是字符的数组。是不是很相似呢？ ex15.c:25 创建了指向`names`的指针。`char *`已经是“指向`char`的指针”了，所以它只是个字符串。你需要两个层级，因为`names`是二维的，也就是说你需要`char **`作为“指向‘指向字符的指针’的指针”。把它学会，并且自己解释它。 ex15.c:28-31 遍历`ages`和`names`，但是使用“指针加偏移`i`”。`*(cur_name+i)`和`name[i]`是一样的，你应该把它读作“‘`cur_name`指针加`i`’的值”。 ex15.c:35-39 这里展示了访问数组元素的语法和指针是相同的。 ex15.c:44-50 另一个十分愚蠢的循环和其它两个循环做着相同的事情，但是它用了各种指针算术运算来代替： ex15.c:44 通过将`cur_name`和`cur_age`置为`names`和`age`数组的起始位置来初始化`for`循环。 ex15.c:45 `for`循环的测试部分比较`cur_age`指针和`ages`起始位置的距离，为什么可以这样写呢？ ex15.c:46 `for`循环的增加部分增加了`cur_name`和`cur_age`的值，这样它们可以只想`names`和`ages`的下一个元素。 ex15.c:48-49 `cur_name`和`cur_age`的值现在指向了相应数组中的一个元素，我们我可以通过`*cur_name`和`*cur_age`来打印它们，这里的意思是“`cur_name`和`cur_age`指向的值”。 这个看似简单的程序却包含了大量的信息，其目的是在我向你讲解之前尝试让你自己弄清楚指针。直到你写下你认为指针做了什么之前，不要往下阅读。 ## 你会看到什么 在你运行这个程序之后，尝试根据打印出的每一行追溯到代码中产生它们的那一行。在必要情况下，修改`printf`调用来确认你得到了正确的行号： ```shell $ make ex15 cc -Wall -g ex15.c -o ex15 $ ./ex15 Alan has 23 years alive. Frank has 43 years alive. Mary has 12 years alive. John has 89 years alive. Lisa has 2 years alive. --- Alan is 23 years old. Frank is 43 years old. Mary is 12 years old. John is 89 years old. Lisa is 2 years old. --- Alan is 23 years old again. Frank is 43 years old again. Mary is 12 years old again. John is 89 years old again. Lisa is 2 years old again. --- Alan lived 23 years so far. Frank lived 43 years so far. Mary lived 12 years so far. John lived 89 years so far. Lisa lived 2 years so far. $ ``` ## 解释指针 当你写下一些类似`ages[i]`的东西时，你实际上在用`i`中的数字来索引`ages`。如果`i`的值为0，那么就等同于写下`ages[0]`。我们把`i`叫做下标，因为它是`ages`中的一个位置。它也能称为地址，这是“我想要`ages`位于地址`i`处的整数”中的说法。 如果`i`是个下标，那么`ages`又是什么？对C来说`ages`是在计算机中那些整数的起始位置。当然它也是个地址，C编译器会把任何你键入`ages`的地方替换为数组中第一个整数的地址。另一个理解它的办法就是把`ages`当作“数组内部第一个整数的地址”，但是它是整个计算机中的地址，而不是像`i`一样的`ages`中的地址。`ages`数组的名字在计算机中实际上是个地址。 这就产生了一种特定的实现：C把你的计算机看成一个庞大的字节数组。显然这样不会有什么用处，于是C就在它的基础上构建出类型和大小的概念。你已经在前面的练习中看到了它是如何工作的，但现在你可以开始了解C对你的数组做了下面一些事情： + 在你的计算机中开辟一块内存。 + 将`ages`这个名字“指向”它的起始位置。 + 通过选取`ages`作为基址，并且获取位置为`i`的元素，来对内存块进行索引。 + 将`ages+i`处的元素转换成大小正确的有效的`int`，这样就返回了你想要的结果：下标`i`处的`int`。 如果你可以选取`ages`作为基址，之后加上比如`i`的另一个地址，你是否就能随时构造出指向这一地址的指针呢？是的，这种东西就叫做指针。这也是`cur_age`和`cur_name`所做的事情，它们是指向计算机中这一位置的变量，`ages`和`names`就处于这一位置。之后，示例程序移动它们，或者做了一些算数运算，来从内存中获取值。在其中一个实例中，只是简单地将`cur_age`加上`i`，这样等同于`array[i]`。在最后一个`for`循环中，这两个指针在没有`i`辅助的情况下自己移动，被当做数组基址和整数偏移合并到一起的组合。 指针仅仅是指向计算机中的某个地址，并带有类型限定符，所以你可以通过它得到正确大小的数据。它类似于将`ages`和`i`组合为一个数据类型的东西。C了解指针指向什么地方，所指向的数据类型，这些类型的大小，以及如何为你获取数据。你可以像`i`一样增加它们，减少它们，对他们做加减运算。然而它们也像是`ages`，你可以通过它获取值，放入新的值，或执行全部的数组操作。 指针的用途就是让你手动对内存块进行索引，一些情况下数组并不能做到。绝大多数情况中，你可能打算使用数组，但是一些处理原始内存块的情况，是指针的用武之地。指针向你提供了原始的、直接的内存块访问途径，让你能够处理它们。 在这一阶段需要掌握的最后一件事，就是你可以对数组和指针操作混用它们绝大多数的语法。你可以对一个指针使用数组的语法来访问指向的东西，也可以对数组的名字做指针的算数运算。 ## 实用的指针用法 你可以用指针做下面四个最基本的操作： + 向OS申请一块内存，并且用指针处理它。这包括字符串，和一些你从来没见过的东西，比如结构体。 + 通过指针向函数传递大块的内存（比如很大的结构体），这样不必把全部数据都传递进去。 + 获取函数的地址用于动态调用。 + 对一块内存做复杂的搜索，比如，转换网络套接字中的字节，或者解析文件。 对于你看到的其它所有情况，实际上应当使用数组。在早期，由于编译器不擅长优化数组，人们使用指针来加速它们的程序。然而，现在访问数组和指针的语法都会翻译成相同的机器码，并且表现一致。由此，你应该每次尽可能使用数组，并且按需将指针用作提升性能的手段。 ## 指针词库 现在我打算向你提供一个词库，用于读写指针。当你遇到复杂的指针语句时，试着参考它并且逐字拆分语句（或者不要使用这个语句，因为有可能并不好）： `type *ptr` `type`类型的指针，名为`ptr`。 `*ptr` `ptr`所指向位置的值。 `*(ptr + i)` （`ptr`所指向位置加上`i`）的值。 > 译者注：以字节为单位的话，应该是`ptr`所指向的位置再加上`sizeof(type) * i`。 `&thing` `thing`的地址。 `type *ptr = &thing` 名为`ptr`，`type`类型的指针，值设置为`thing`的地址。 `ptr++` 自增`ptr`指向的位置。 我们将会使用这份简单的词库来拆解这本书中所有的指针用例。 ## 指针并不是数组 无论怎么样，你都不应该把指针和数组混为一谈。它们并不是相同的东西，即使C让你以一些相同的方法来使用它们。例如，如果你访问上面代码中的`sizeof(cur_age)`，你会得到指针的大小，而不是它指向数组的大小。如果你想得到整个数组的大小，你应该使用数组的名称`age`，就行第12行那样。 > 译者注，除了`sizeof`、`&`操作和声明之外，数组名称都会被编译器推导为指向其首个元素的指针。对于这些情况，不要用“是”这个词，而是要用“推导”。 ## 如何使它崩溃 你可以通过将指针指向错误的位置来使程序崩溃： + 试着将`cur_age`指向`names`。可以需要C风格转换来强制执行，试着查阅相关资料把它弄明白。 + 在最后的`for`循环中，用一些古怪的方式使计算发生错误。 + 试着重写循环，让它们从数组的最后一个元素开始遍历到首个元素。这比看上去要困难。 ## 附加题 + 使用访问指针的方式重写所有使用数组的地方。 + 使用访问数组的方式重写所有使用指针的地方。 + 在其它程序中使用指针来代替数组访问。 + 使用指针来处理命令行参数，就像处理`names`那样。 + 将获取值和获取地址组合到一起。 + 在程序末尾添加一个`for`循环，打印出这些指针所指向的地址。你需要在`printf`中使用`%p`。 + 对于每一种打印数组的方法，使用函数来重写程序。试着向函数传递指针来处理数据。记住你可以声明接受指针的函数，但是可以像数组那样用它。 + 将`for`循环改为`while`循环，并且观察对于每种指针用法哪种循环更方便。