C語言程序設計課程中指針的幾個教學要點

2020-11-23 12:02:16田維蓮羊巍六盤水師范學院

數碼世界 2020年11期

關鍵詞：教學

田維蓮羊巍六盤水師范學院

一、引言

C語言程序設計教學中，指針的教學是重難點；此時，學生已經學了函數、數組及結構體等內容，而在指針與函數、指針與結構體及文件的教學中，都需要學生對指針有著深刻的理解與掌握，同時，在其后續課程數據結構中，對指針有很高要求，學生如果不掌握指針并靈活運用，很多算法的實現無從談起。另一方面，指針的教學比較難，指針涉及機器硬件，不好抽象，教學中，常常要圖示大量的內存圖，學生往往會陷入內存細節，而忽視程序的邏輯與指針概念本身的清晰理解；筆者在多年的教學實踐中，認為應該對指針的教學幾個要點作一些梳理，通過示例強調在教學中幾個比較關鍵的知識點，同時，引入幾個新概念或新的理解方式，幫助學生理解、掌握運用指針。

二、指針的教學要點

（一）指針變量

上述程序片段中，聲明了4個變量，在教學中應該明確有關的3個問題：

1.變量與對象的關聯方式

變量i保存對象2，而類型為int *的變量p保存值為i的內存地址的對象&i，我們可能更關心的是變量p與對象2的關聯，應該明確，變量i與對象2是直接關聯，變量p與對象2是間接關聯，變量p通過保存變量i的地址而與對象2關聯，可以通過間接尋址運算符*取得變量i的值（即對象2），但此時應注意，語句int * p = &i 中的符號“*”不是間接尋址運算符，其作用是編譯時，告訴編譯器，變量p是一個類型為int *的指針（引用）變量，變量p可以和類型為int的變量通過賦值的形式發生關聯，即p = &i。

2.C語言中量（常量與變量）的分類

可以明確，C語言中，從上述變量與對象的關聯方式來說，變量分為兩類，一類為值類型變量，其保存的是非地址值的值對象（如變量i），另一類為引用（指針）類型變量（如變量p），其保存的值是內存地址，但要注意，*p是變量i 的別名（也就是說，在變量i的作用域范圍內，凡是出現變量i的地方，均可用*p替換。），*p是左值，通過*p可以對變量i 的值進行讀寫，對*p進行賦值操作，等同于對變量i進行賦值操作。

對于C語言中的值常量而言，也可以分為兩類，一類是地址值，我們稱其為引用（指針）類型，另一類常量稱為值類型。

3.指針變量的使用

C語言中，要使用指針變量，要有一個前提，指針變量要么和一個變量發生關聯（如語句：int *p = &i；使得指針變量p和變量i發生了關聯），要么指針變量有一個非空的合法地址值（如語句：int*q = (int *)malloc(sizeof(int) * 2；使得變量q得到了一個類型為int *的，由函數malloc分配的連續內存地址的首地址值）。

指針變量t被初始化為NULL，稱t為空指針，t的值NULL（宏NULL在stdio.h和stdlib.h等頭文件中均有定義）是一個區別于任何有效指針值的特殊值，這表明t“不指向任何地方”；若指針變量t沒有初始化，則這個指針變量就成懸空指針，這表明t是一個“不知道指向哪里”的指針，若是通過空指針或懸空指針訪問內存，程序要么崩潰，要么出現難以預料的結果，為此，應該強調，一個良好的編程習慣是，將暫時不用的指針變量在聲明時立即初始化為NULL，這樣可以清出程序中的懸空指針，同時在使用指針變量應檢測其值是否為空，如上述的代碼片段中，對指針變量q的檢測(if(q))。

（二）指針與數組

上述代碼片段中，意在展示通對指針處理數組，學生習慣使用的arr[i]，實際上，最后arr[i]被編譯成為*(arr+i)，也就是說arr[i]等價于*(arr+i)，同理*(p+i)等價于p[i]；同時，在教學中，應該強調，p、*p以及*arr是左值，而arr不是，數組名arr是一個類型為int *const的指針常量，其值為數組arr中首元素（arr[0]）的地址值，另一個問題是，arr[5]非法，而&arr[5]卻合法，雖然，arr[5]不存在，但是，對arr[5]取地址是可以的，實際上，&arr[5]等價于&*(arr + 5)，而&*(arr + 5)就是(arr + 5)，(arr + 5)是一個類型為int *的地址值。

（三）指針、函數及結構體

上述示例代碼片段中，函數total_score的作用：將結構體c的成員scores中前size-1項數組元素進行加總并返回。將類型為class*的指針作為函數的參數是一種高效的作法，這樣作避免了實參向形參傳值時，數組scores被復制，學生可能會疑問：設計一個函數原型為int total_score(class cl)的函數來做同樣的事也可以高效完成，因為，形參cl的成員scores是一個數組名，當調用發生時，復制給形參cl的成員scores的值不就是個地址嗎，實參的數組沒有被復制，實參和形參共享同一個數組？應該強調的是，在C語言中，對結構體進行復制時，結構體中的數組成員也被復制，而非兩個結構體共享同一個數組，因此，將類型為class結構體作為函數的參數的做法低效。

函數no_pass將結構體c數組成員中，值小于60的數組元素下標標記于另一個結構體nopass中，并返回nopass。此處，學生可能會有疑問：應該返回一個指向nopass的指針，而非結構體nopass，這樣可以避免調用no_pass函數，取返回值時，未發生的結構體數組成員被復制，因而高效。在這個地方，可以強調，C語言中，返回一個指向局部自動變量的指針是致命的，一旦no_pass函數執行完畢，其所占據的內存空間隨即被回收，結構體nopass不存在了，指向nopass的指針變成了指向一個不存在的對象的指針，在no_pass函數外部使用該指針，程序可能會崩潰或出現無法預知結果。因此，no_pass函數的處理方式是正確而又明智的，這種處理方式避免了“返回一個指向局部自動變量的指針”的錯誤。

（四）指針與字符串

上述的示例代碼中，學生可能會有疑問：程序為什么報錯？筆者認為，要從幾個方面說起，一方面，”Hello”到底是什么？如果回答，”Hello”是字符串。那么這個回答是含混不清的。首先，”Hello”是字符串字面量（一些教材又稱為字符串常量，并解譯：常量就是不能被改變的量，于是修改字符串常量程序會報錯，這樣的解譯實際上沒有把問題說清楚。），字符串字面量就是字符串的在源程序中的字面表達；其次，”Hello”被保存于一片連續的內存空間中，字符’o’的后面被追加代表字符串結束的字符’