C語言指針教學(xué)難點(diǎn)透析

張憶文

（華僑大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361021）

C語言指針教學(xué)難點(diǎn)透析

張憶文

（華僑大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361021）

指針既是C語言的重點(diǎn)，又是教學(xué)難點(diǎn)。文章從指針的基本概念入手，由淺入深地討論指針教學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，重點(diǎn)介紹指向數(shù)組元素的指針、指向數(shù)組的指針、指針數(shù)組、指針函數(shù)以及函數(shù)指針變量等容易混淆的概念，通過應(yīng)用實(shí)例揭示它們之間的區(qū)別，進(jìn)而闡釋指針的實(shí)質(zhì)。

C語言；指針；函數(shù)；數(shù)組

0 引 言

C語言程序設(shè)計(jì)在計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言中占有重要的一席之地，它以語法簡(jiǎn)潔緊湊、程序精煉、運(yùn)算符和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富、編程靈活、可移植性好而著稱[1]。然而由于教科書內(nèi)容僵化、過于抽象，且授課的對(duì)象往往是大學(xué)低年級(jí)學(xué)生，造成某些知識(shí)點(diǎn)難以理解，甚至理解錯(cuò)誤。其中，C語言指針教學(xué)就是公認(rèn)的教學(xué)難點(diǎn)[2]，因?yàn)橹羔樖荂語言的一大特色，用途極其廣泛，所以，如何讓學(xué)生透徹地理解指針，避免在使用過程中不犯錯(cuò)誤或者少犯錯(cuò)誤，是C語言教學(xué)中的一個(gè)重要問題。

1 指針的基本概念

1.1 指針變量的定義

所謂指針是指變量在內(nèi)存中的地址，是一個(gè)常量，其實(shí)質(zhì)是對(duì)地址的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的操作。“&”和“*”是指針的兩個(gè)最基本的運(yùn)算符。“&”是取地址運(yùn)算符，也就是將變量在內(nèi)存的地址取出來，其結(jié)合性為自右向左。“*”是取內(nèi)容運(yùn)算符，也就是將指針變量所指向變量的值取出，其結(jié)合性為自左向右。用來存放指針（地址）的變量成為指針變量。其定義如下：

類型標(biāo)識(shí)符 *指針變量名表;

例如：

void main( ){

(1) int i=20;

(2) int *p;

(3) p=&i;

(4) printf(“i address is %x p address is %x *p=%d”，&i，&p，*p);}

語句(2)定義了指針變量p，語句(3)對(duì)指針變量p進(jìn)行初始化，使它指向普通變量i。注意到語句(2)指針定義中的“*”不是指針運(yùn)算符，不進(jìn)行任何運(yùn)算，它僅僅是標(biāo)志所定義的變量為指針變量。運(yùn)行程序可知， i address is 0018FF44，p address is 0018FF40，*p=20。普通變量i和指針變量p的關(guān)系如圖1所示。

圖1 普通變量i與指針變量p

從圖1可以看出指針變量p的值為普通變量i的地址，也就是說指針變量p指向了普通變量i。普通變量i的值為20。指針變量和普通變量都是變量，其在內(nèi)存中都占據(jù)一定的空間，例如：指針變量p在內(nèi)存的地址為0018FF40，而普通變量i在內(nèi)存的地址為0018FF44。指針變量與普通變量的最大區(qū)別就是：指針變量所存儲(chǔ)的內(nèi)容是其他變量地址，而普通變量所存儲(chǔ)的內(nèi)容是值。

1.2 指針變量的引用

指針變量的使用要注意以下幾點(diǎn)：

（1） 必須先定義，后使用。

（2）對(duì)指針變量的操作，其類型要一致。例如int i=50;char *p=&i;這個(gè)操作就是非法的，因?yàn)槠胀ㄗ兞縤其類型是整形，而指針變量p其類型為字符型，這兩個(gè)變量的類型不匹配。

（3）不能將數(shù)值直接賦值給指針變量，例如int *p=62353;這個(gè)語句也是非法的，因?yàn)橹羔樧兞恐荒艽鎯?chǔ)其他變量的地址。

（4）指針變量在使用之前必須對(duì)其進(jìn)行初始化，例如 int *p;printf(“*p is %d”);這個(gè)操作是非法的，因?yàn)闆]有對(duì)指針變量進(jìn)行初始化，也就是說指針變量沒有所指。

（5）指針變量可以進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，例如 int a[5]={0,1,2,3,4}; int *p=a; p+3;語句p+3不是指針變量p的值簡(jiǎn)單加3，而是使指針變量p指向a[3]，假設(shè)一個(gè)int占用4個(gè)字節(jié)(不同的編譯器，所占用的字節(jié)不一樣)，p+3相當(dāng)于移動(dòng)了12個(gè)字節(jié)。

（6）注意const int *p;int const *p; const int const *p;三者的區(qū)別。const int *p表示值不變地址可變，也就是說不能利用指針變量p對(duì)其所指向的對(duì)象的值進(jìn)行修改，但指針變量p可以指向同類型的其他變量。int const *p表示地址不變，值可變，也就是說可以利用指針變量p對(duì)其所指向的對(duì)象的值進(jìn)行修改，但指針變量p不能指向同類型的其他變量。const int const *p表示值不變，地址也不變，也就是說不能利用指針變量p對(duì)其所指向的對(duì)象的值進(jìn)行修改，也不能使指針變量p指向同類型的其他變量。

2 指針與數(shù)組

數(shù)組是C語言中的一個(gè)重要構(gòu)造類型，是具有相同數(shù)據(jù)類型的有序數(shù)據(jù)集合。數(shù)組中的每個(gè)元素都在內(nèi)存中占用存儲(chǔ)單元，且每個(gè)存儲(chǔ)單元占據(jù)的存儲(chǔ)空間都是相同的。數(shù)組名代表數(shù)組元素的首地址，可以將其直接賦值給相同數(shù)據(jù)類型的指針變量。在指針的教學(xué)過程中，必須注意指向數(shù)組元素的指針、指向指針的指針、指向數(shù)組的指針、指針數(shù)組等概念的區(qū)別與聯(lián)系。

2.1 指向數(shù)組元素的指針

指向數(shù)組元素的指針變量的定義與以前的指針變量的定義一樣，但要確保數(shù)組的類型與指針變量的類型一致。例如：

以上的兩條語句定義了指向一維數(shù)組a的元素的指針變量p，并且對(duì)指針變量p進(jìn)行初始化，使其指向數(shù)組的首元素a[0]。接下來我們就可以使用指針變量p訪問數(shù)組元素。例如p+1指向元素a[1]，注意p+1不是將p的數(shù)值簡(jiǎn)單加1，而是使其指向當(dāng)前元素的下一元素。所以*(p+1)與a[1]等價(jià)。更一般化，p+i （0≤i≤4）表示指針變量p指向數(shù)組的a[i]元素，所以*(p+i)與a[i]等價(jià)。當(dāng)然也可以直接用數(shù)組名直接訪問數(shù)組元素，因?yàn)閿?shù)組名代表數(shù)組首元素的地址，所以有*(a+i)與*(p+i)等價(jià)。

以上介紹了用指針變量訪問一維數(shù)組元素，接下來介紹指針變量訪問二維數(shù)組元素。例如：

想要訪問二維數(shù)組中的元素a[2][3],可以用如下的方法：

（1）直接用數(shù)組下標(biāo)a[2][3];

（2）用一維數(shù)組名a訪問：*(a[2]+3)或*(a[0]+11)或*(a[3]-1];

（3）用二維數(shù)組名a訪問，只要將(2)中的一維數(shù)組名改成相應(yīng)的二維數(shù)組名即可：*(*(a+2)+3)或*(*(a+0)+11)或*(*(a+3)-1);

（4）用指針變量p訪問：*(*(p+2)+3)或*(*(p+0)+11)或*(*(p+3)-1)等等。

2.2 指向指針的指針

指向指針的指針是指一個(gè)指針變量指向了另外一個(gè)指針變量，常稱為多級(jí)間址。例如：

語句(1)、(2)、(3)定義了指向指針的指針變量q并且對(duì)其進(jìn)行初始化，指針變量q指向了指針變量p，而指針變量p指向了普通變量i。 運(yùn)行程序可知，i address is 0018FF34，p address is 0018FF30，q address is 0018FF2C，p=0018FF34，q=0018FF30，*p= 20，**q=20。普通變量i、指針變量p和指向指針的指針變量q的關(guān)系如圖2所示。

圖2 指向指針的指針變量關(guān)系

從圖2可以看出指向指針的指針變量q的值為指針變量p的地址，也就是說指向指針的指針變量q指向了指針變量p。指針變量p的值為普通變量i的地址，也就是說指針變量p指向了普通變量i。*q指向了普通變量i，因此，**q的值就是i的值等于20。

2.3 指向數(shù)組的指針

指向數(shù)組的指針是數(shù)組名的指針，即數(shù)組首元素的指針，其實(shí)質(zhì)為指針。接下來的實(shí)例將介紹指向一維數(shù)組的指針。

void main( ){

(1) int a[]={10,20,30,40,50};

(2) int (*p)[5];

(3) p=&a;

(4) printf(“%d ”, *(*p+3) );

(5) int b[2][4]={{0,1,2,3},{4,5,6,7}};

(6) printf(“%d ”, *(*(b+1)+3) );}

語句(2)聲明p是一個(gè)指向一維數(shù)組的指針，且所指向的一維數(shù)組的長(zhǎng)度為5，其實(shí)質(zhì)相當(dāng)于二級(jí)間址。語句(3)將p初始化，使其指向一維數(shù)組a。*p的值和a的值一樣，都指向a[0]，(*p+3)指向a[3]，所以語句(4)的輸出結(jié)果為40。注意語句(3)不可以寫成p=a，因?yàn)楸M管a是數(shù)組名代表數(shù)組元素的首地址，但其與數(shù)組名的地址是兩回事。實(shí)際上，二維數(shù)組名就是一個(gè)指向一維數(shù)組的指針，所以語句(6)的輸出結(jié)果為7。接下來的實(shí)例將介紹指向二維數(shù)組的指針。

void main( ){

(1) int a[2][3]={10,20,30,40,50,60};

(2) int (*p)[2][3];

(3) p=&a;

(4) printf(“%d ”, *(*(*p+1)+2));

語句(2)聲明p是一個(gè)指向二維數(shù)組的指針，且所指向的二維數(shù)組的第一維長(zhǎng)度為2，第二維長(zhǎng)度為3，其實(shí)質(zhì)是指向二級(jí)指針的指針，相當(dāng)于三級(jí)間址。語句(3)將p初始化，使其指向二維數(shù)組a。*p的值為a，(*p+1)指向一維數(shù)組a[1]，*(*p+1)+2指向二維數(shù)組元素a[1][2]，所以語句(4)的輸出結(jié)果為60。

2.4 指針數(shù)組

指針數(shù)組是指由若干個(gè)相同類型的指針組成的數(shù)組，其實(shí)質(zhì)是數(shù)組。指針數(shù)組與普通數(shù)組的本質(zhì)區(qū)別在于指針數(shù)組的元素是指針，而普通數(shù)組的元素是數(shù)值。指針數(shù)組與指向數(shù)組的指針的本質(zhì)區(qū)別在于指針數(shù)組的實(shí)質(zhì)是數(shù)組，而指向數(shù)組的指針其實(shí)質(zhì)是指針。接下來的實(shí)例將介紹指針數(shù)組的定義及使用。

void main( ){

(1) char *p[4]={“apple”, “orange”, “pear”, “banana”};

(2) int i=2;

(3) printf(“%s ”, p[2]);}

語句(1)定義了指針數(shù)組p，它由4個(gè)元素(p[0]～p[3])組成，每個(gè)元素都是一個(gè)指向字符類型的指針。此外語句(1)還初始化了指針數(shù)組p，使p[0]的值指向字符串a(chǎn)pple的首地址，p[1]的值指向字符串orange的首地址，p[2]的值指向字符串pear的首地址，p[3]的值指向字符串banana的首地址。特別需要注意區(qū)分char *p[4]與char (*p)[4]，前者是指針數(shù)組，后者是指向一維數(shù)組的指針。語句(3)輸出的結(jié)果為pear。

3 指針與函數(shù)

3.1 指針作為函數(shù)參數(shù)

整型、實(shí)型、字符型、數(shù)組、指針等都可以作為函數(shù)的參數(shù)，但整型、實(shí)型、字符型等作為函數(shù)參數(shù)時(shí)，實(shí)參與形參間是單向的值傳遞，也就是說形參的值發(fā)生變化不會(huì)影響到實(shí)參。而指針作為參數(shù)時(shí)，實(shí)參與形參間是傳遞的是地址，也就是說實(shí)參與形參共享一個(gè)地址空間，如果形參的值發(fā)生改變，實(shí)參的值也會(huì)相應(yīng)的改變。例如：

上述實(shí)例中，函數(shù)void swap(int *p, int *q)是以指針作為形參，其作用是交換兩個(gè)形參的值。在主函數(shù)中，定義了兩個(gè)整形變量a、b并且分別賦值為10、20;此外，還定義了兩個(gè)整形的指針變量pa、pb使其分別指向a和b。調(diào)用函數(shù)swap時(shí)，需要注意的是實(shí)參的類型和形參的類型必須一致，在調(diào)用函數(shù)swap之后，程序輸出a=20，b=10，說明以指針作為函數(shù)參數(shù)，形參的值變化，相應(yīng)的實(shí)參的值也發(fā)生改變。

3.2 指針函數(shù)

指針函數(shù)是指函數(shù)的返回值為指針類型，也就是說函數(shù)最后返回的是一個(gè)地址，而不是一個(gè)數(shù)值。指針函數(shù)的定義形式為：

類型標(biāo)識(shí)符 *函數(shù)名(參數(shù)名){

函數(shù)體

以上實(shí)例中，首先定義了全局變量a，并且對(duì)其初始化，使其值為10;接下來定義了指針函數(shù)fun()，其返回類型為指向整型的指針，其參數(shù)列表為空。fun()函數(shù)的主要作用是返回全局變量a的地址。主函數(shù)首先定義了整型指針變量p，接下來對(duì)其初始化，使其指向fun()函數(shù)，接著輸出p所指向?qū)ο蟮闹担罱K的運(yùn)行結(jié)果為*p=10。注意到指針函數(shù)不能返回局部變量的地址，因?yàn)榫植孔兞吭诔绦驁?zhí)行完成后，其所占用的內(nèi)存空間會(huì)被系統(tǒng)回收。

3.3 函數(shù)指針變量

一個(gè)函數(shù)在內(nèi)存中的起始地址就是該函數(shù)的指針。函數(shù)指針變量是用來存儲(chǔ)函數(shù)指針，通過函數(shù)指針變量可以調(diào)用函數(shù)。函數(shù)指針變量的定義如下：

類型標(biāo)識(shí)符 （*指針變量名）（參數(shù)類型1，參數(shù)類型2，…，參數(shù)類型n）;

例如：

以上實(shí)例中，首先定義了add函數(shù)，其有兩個(gè)整型的參數(shù)a和b，add函數(shù)最終返回一個(gè)整型值，add函數(shù)的作用是求a與b的和。主函數(shù)首先定義了整型變量a和b，且分別對(duì)其初始化，a的值為5，b的值為10。語句int (*p_fun)(int,int);定義了函數(shù)指針變量p_fun。注意函數(shù)指針變量與指針函數(shù)的區(qū)別，int *p_fun(int,int)表示p_fun是指針函數(shù)，其返回一個(gè)指向整型的指針。區(qū)別函數(shù)指針變量與指針函數(shù)主要看這二者在定義過程中“*”號(hào)是否用圓括號(hào)()括起來，有圓括號(hào)表示函數(shù)指針變量，沒有圓括號(hào)表示指針函數(shù)。接下來的語句p_fun=add;對(duì)函數(shù)指針變量進(jìn)行初始化，使其指向add函數(shù)在內(nèi)存中的首地址，注意到在C語言中函數(shù)名稱代表函數(shù)在內(nèi)存的起始地址。接下來的語句輸出(*p_fun)(a,b)的值，其結(jié)果為15。注意到(*p_fun)(a,b)也可以寫成p_fun(a,b)。

4 結(jié) 論

總之，在C語言的教學(xué)中要注意結(jié)合實(shí)例講清以下幾點(diǎn)：①指向指針的指針其實(shí)質(zhì)是二級(jí)間址;②指向數(shù)組的指針其實(shí)質(zhì)是指針，而指針數(shù)組其實(shí)質(zhì)是數(shù)組;③指針函數(shù)其實(shí)質(zhì)是指針，而函數(shù)指針其實(shí)質(zhì)為函數(shù)。

[1] 劉韶濤, 潘秀霞, 應(yīng)暉. C語言程序設(shè)計(jì)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2015.

[2] 趙輝, 馮東棟. C語言中指針的教學(xué)方法研究[J]. 福建電腦, 2011, 27(4): 187-188.

（編輯：彭遠(yuǎn)紅）

1672-5913(2017)01-0155-04

G642

華僑大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（2016BS104）。

張憶文，男，講師，研究方向?yàn)榫G色計(jì)算、實(shí)時(shí)調(diào)度，zyw@hqu．edu．cn。