從內存的角度解析C語言中的指針

張天友

（無錫科技職業學院智能制造學院，無錫214000）

0 引言

C語言語法簡潔、運算符豐富、編程靈活、可移植性高，是一門重要的計算機語言。在C語言中，通過指針可以實現硬件的訪問、動態分配和收回內存、減少全局變量的使用、實現函數的回調功能等，被稱為C語言的“靈魂”；但是指針概念抽象，難以把握，使用不當會導致程序退出和內存泄露，甚至系統崩潰，成為學習C語言的難點。

在C Primer Plus[1]一書中，將指針定義為一種變量，其值為內存地址（Basically,a pointer is a variable,（or more generally,a data object）,whose value is a memory address）。通過這個定義，理解指針的前提是，理解變量和變量值，內存和內存地址。Data object is a general term for a region of data storage that can be used to hold values.The C standard uses just the term object for this concept.One way to identify an object is by using the name of a variable。數據對象指的是內存的一部分，在C語言標準中稱為對象，定位該對象的方法之一是通過變量名。在A Reference Manual[2]中，指針被定義為，指向類型的對象，指針本身也是一種對象，該對象的值為內存的地址（For any type T,a pointer type“pointer to T”may be formed.A value of pointer type is the address of an object or function of type T.）類型的定義：A type is a set of value and a set of operations on those values。類型是一個數值集合以及對這個數值集合的操作。指針在The C Programming Language[3]一種中的定義為：指針是一種變量，該變量的值時其他變量的內存地址。（A pointer is a variable that contains the address of a vari?able.）Variables and constants are the basic data objects manipulated in a program。變量和常量是程序處理的兩種基本對象。A data object is a named region of storage.一個對象是一個命名的存儲區域。

分析上述C語言領域經典資料對指針及其指針相關概念的定義可知，內存是把握和理解“指針”概念的核心所在。在閻石教授所著的《數字電子技術基礎》中[4]，把內存定義為：一種能夠存儲大量二值信息（或稱為數據）的器件[5]。本文利用開關的“閉”“開”兩種狀態，來表示存儲器中的“二值信息”。利用64個“開關”，構建了可論述的內存模型。以此為基礎介紹了C語言中變量、類型、指針等概念的核心特點。

1 內存

1.1 由“開關”到“內存”

對于一個普通的物理開關，存在兩種狀態，開和關；即通電和斷電兩種狀態。假設“開”的狀態，用“0”來表示，“關”的狀態用“1”來表示，那么開關的兩種狀態就可以表示“1”和“0”。表述了內存的特點：“二值信息”。若將8個開關排成一排，得到的結果如圖2所示。圖2中，底部的一行全部為關閉狀態；中間一行，部分處于打開，部分處于關閉；上面一行處于全部打開狀態。因為每個開關存在0和1兩種狀態，8個開關組合到一起，共存在256個狀態。即從全部關閉（0000 0000）到全部打開（1111 1111），共256種狀態。若將64個開關，按照每一排有8個，則可以得到8行，得到結果如圖3所示，它形象地表示了內存基本模型。

圖1 開關示意圖

圖2 開關不同狀態示意圖

圖3 開關“內存模型”示意圖

結合圖2和圖3可以得出，這些開關共有256×8個狀態。我們把這些所有可能的狀態統稱為：“內存狀態信息”。按照8個一排、縱向對其的規則，對64個開關進行統一編碼，得到的結果如圖3所示，右側是按照10進制編碼的結果：0～7。這種結果稱為：內存“地址信息”。

1.2 內存的基本操作

由圖3可知，所有的開關處于打開狀態。現在將第2行第3列、第5列和第7列（從左至右：0～7列）的按鈕閉合，得到的結果如圖4所示。上述描述的過程，在計算機領域用“操作”一詞來表述。這個操作過程有兩個基本的步驟：①選擇某些按鈕，②設置選擇按鈕的狀態（“開”、“閉”）。換而言之，通過內存的“地址信息”，選擇某些按鈕；而后設置這些按鈕的狀態信息（“開”、“閉”），即選中內存的“狀態信息”。這就是內存操作的最本質特點。

圖4 開關“內存模型”操作示意圖

1.3 內存區域與C語言中類型

前述分析可知，一排8個的“開關”（如圖5黑色實線部分所示，標記為：內存區域A），有256種狀態。換而言之，最多可以表示256個數。超過256，一排8個“開關”無法表達。現實中需要表達的數量遠不止256個。為了增加可以表達的數量，可以增加“開關”個數。一種方式如圖5下部虛線方框所示“內存區域B”（第1排和第0排））。當數量范圍在0～255時，可用一排的“開關”表示。視它們“開關”視為一組（圖5第5排）。在C語言中，用“內存區域”指稱這一組開關（如圖5所示內存區域A）。在對它們進行操作是，首選選中它們，而后改變它們的狀態。當數量范圍在0～255×255（65025），可以用 2排“開關”（圖 5 第 1排和第 0排，內存區域B）進行表示，視它們為一組。在對它們進行操作時，首選選中它們，而后改變它們的狀態。

在C語言中，通過類型來表達所用“開關”的數量。例如：unsigned char類型，表示視8個“開關”為一組（內存區域A）。那么char可以表示的狀態總數為256。就C語言中char類型而言，用“取值范圍”一詞，指稱前述狀態總數。再例如，unsigned int16類型，表示視16個開關為一組（內存區域B），可以表示的狀態總數為 65025，取值范圍為：0～65025。

當然，C語言中還有其他的數據類型，如浮點數、數組、結構體等。為了降低論述的復雜程度，本文不再論述。注意，多數情況下，一次最小選擇的數量是1個開關，這個叫位選。但是多數情況下，一次選擇的數量為8個開關。這里面涉及架構知識，本文也不予展開。本文的目的理清指針概念的核心側面，而不是指針概念的全部。

圖5 開關“內存模型”中的內存區域示意圖

1.4 內存區域與C語言中的變量

可以通過內存的“地址信息”（圖5第5排），來選擇所需操作“開關”數量（即內存區域）；但是不方便而且也容易出錯。一個解決辦法就是，給相應內存區域命名。一種命名的結果如圖6所示。用“Char-1”表示含有8個開關的內存區域，用“Int-1”表示含有16個開關的內存區域。上述兩個名字，在C語言中稱為變量。由圖6可知，變量“Char-1”包含了相應內存區域的“地址信息”和“狀態信息”。換而言之，通過變量“Char-1”，可以獲得相應內存區域的地址編碼“5”，還可以獲得相應內存區域的狀態“閉閉閉閉閉閉閉開”。假設“閉”用“1”來表，“開”用“0”來表示，相應內存區域的狀態可以表示為“00000001”。若將這種狀態視為“2進制”，則表示的數值為：00000001；對應的“10進制”為1。在C語言中，我們說變量“Char-1”的值為1。同樣的方法可以分析“Int-1”對應的二進制數值為：1011101100001111，對應的十進制為：47887。在C語言中，我們說變量“Int-1”的值為47887。

由圖6可知，變量“Char-1”對應的內存地址信息為5（十進制）。前述可知，變量“Char-1”的值為1（十進制）。在C語言中，變量“Char-1”的“數值”可以用Char-1來表示，而變量“Char-1”的地址，可用“&Char-1”來表示。換而言之，在C語言中，“Char-1”等價于“1”，表達的是“Char-1”對應的內存狀態信息；而“&Char-1”等價“5”，表達的是“Char-1”對應的內存地址信息。一個變量是一個命名了內存區域（如內存區域A）[1]，包含了兩個基本的方面“內存地址信息”和“內存狀態信息”。

圖6 開關“內存模型”中的變量示意圖

由圖6可知，變量“Int-1”對應的地址信息為1和0（十進制），前述分析可知，變量“Int-1”的值為47887（十進制）。在 C 語言中“Int-1”等價于“47887”，“&Int-1”指稱/選中的內存區域如由圖6實線方框所示。但是“&Int-1”得到的“值”可能是“0”，也可能是“1”。這與具體的CPU構架有關，不是本文關注的重點。本文關注的重點是“&Int-1”所指稱的內存區域B。為了，論述方便，本文假設“&Int-1”得到的值為“1”。

2 指針變量

在進行內存操作時，存在通過“內存區域A”找到“內存區域B”的需求。換而言之，希望“內存區域A”和“內存區域B”相關聯。假如內存區域A中，有“內存區域B”的地址信息，就可以實現兩個內存區域的關聯。前述分析可以，一個內存區域包含兩個基本的方面：“地址信息”和“狀態信息”。內存的地址信息，一般是不能改變的。換而言之，當把“開關”按照一定規則編碼后，這個編碼信息是基本不變的。方便改變的只有“狀態信息”，若內存的狀態信息，可以表示內存的地址信息，就可以實現兩個內存區域的關聯。如內存區域A的狀態信息，用二進制表示：0000 0001；內存區域B的地址信息，用二進制表示也為：0000 0001。這樣就實現內存區域A和內存區域B的相互關聯。在本文中，開關代表的是二值信息，如果用開用“0”表示，關用“1”表示，得到的結果如圖8所示。直觀地表示了內存地址信息，可以用內存狀態信息來表達。上述內容在C語言中表述為，指針變量的值用于存儲內存地址[6]。

圖7 開關“內存模型”中的指針變量示意圖

圖8 二值信息“內存模型”中的字符型指針變量示意圖

在C語言中，內存區域A和內存區域B相互關聯的實現方式為：指針。下述語句“unsigned char*PChar-1”，定義了一個字符型指針變量“PChar-1”。假設變量“PChar-1”對應的地址信息為:00000101，即內存區域A標記的內存單元。“PChar-1”對應的狀態信息為：00000001。這個狀態信息代表的是存地址信息，即00000001，即“內存區域B”標記的內存單元。在C語言中，“*PChar-1”用以表示“內存區域B”對應狀態信息，即 10111011。而“&（*PChar-1）”用以表示內存區域B的地址信息。PChar-1稱為指針變量，簡稱指針。實際上“*PChar-1”代表的就是一個字符變量。當需要改變內存區域B的狀態信息時，通過給“*PChar-1”賦值即可完成。例如，*PChar-1=255的結果如圖9所示。

2.1 指針變量的類型

如圖10所示，“內存區域A”和“內存區域B”的大小不一致。在這種情況下如將內存區域A與內存區域B聯系起來。在C語言中，也是通過指針實現兩個內存區域的關聯。在這一關聯的過程中，需要知道內內存區域A和內存區域B的一些基本信息，例如內存區域B的大小。由前述分析可知，內存區域的大小可以通過類型來確定。

圖9 二值信息“內存模型”中的無符號字符型指針變量示意圖

圖10 二值信息“內存模型”中的無符號整型指針變量示意圖

在 C 語言中，下述語句“unsigned int*PInt-1”，定義了一個無符號的16位整型指針變量“PInt-1”。假設變量“PInt-1”對應的地址信息為:00000101，即內存區域A標記的內存單元。“PInt-1”對應的狀態信息為：00000001。這個狀態信息代表的是存地址信息，即00000001，即“內存區域B”標記內存單元的第一行。在C語言中“*PInt-1”，指稱/選中的是內存區域B對應的區域，盡管“&（*PInt-1）”得到的結果是 0000 0001。與“*PChar-1”類似，“*PInt-1”代表的就是一個 16 位的整型變量。當需要改變內存區域B的狀態信息時，通過給“*PInt-1”賦值即可完成。例如，*PInt-1=65280的結果（圖10，內存區域B所示）。注意PChar-1和PInt-1 對應的值都是“1”，但是“*PChar-1”和“*PInt-1”的結果明顯不同是，原因是它們的類型不同，更根本的原因是PChar-1和PInt-1指稱/選中的內存區域大小不同。

2.2 指針變量占用的內存區域

一般情況下，當內存的位寬和大小確定后，指針變量占用的內存區域大小是確定的。換而言之，當內存的地址編碼結束之后，存儲每一個地址編碼信息所需內存區域是一定的。在本文中，內存是有64個開關，按照8個一排構成的模型（8，經常被稱為位寬）。內存的地址信息是：0～7。當編碼結束后，存儲內存地址信息所需的開關個數也就確定了。如前述的PChar-1和PInt-1，存放它們所需的內存區域大小是相同的。但是*PChar-1和*PInt-1所指稱/選中的內存區域是不一樣。

2.3 指針變量的基本運算

前述分析可知，PChar-1的值為“1”，PInt-1的值也為“1”。PChar-1+1 的值為“2”，但是 PInt-1+1 的值為3。這是因為，它們指稱/選中的內存區域大小不同；PChar-1指稱/選中的內存區域是一排，而PInt-1選中的內存區域是“兩排”。指針變量的運算結果，與指針變量所指內存區域的大小有關，如圖11和圖12所示。

3 結語

本文以“開關”為元素，構建了簡易的內存模型。以該模型為基礎，介紹了變量概念所包含的兩個基本側面“地址信息”和“狀態信息”，導出了內存區域“狀態信息”表述內存區域“地址信息”，是指針概念的本質所在。從內存的視角，分析了“變量類型”與“指針類型”的關系，進而解析了。C語言中“指針概念”的基本側面。

圖11 二值信息“內存模型”中無符號字符型指針運算示意圖

圖12 二值信息“內存模型”中無符號整型（uint-16） 指針變量的運算