導讀：指針是 C 語言的靈魂，該如何真正理解并運用呢？這篇文章告訴你答案！

終于到了 C 語言中最為重要的指針環節了。之前一直以積累為主，不敢寫，或者說不愿意寫，因為沒有足夠的高度寫出來的東西很多都是片面的，當然現在我也不敢說我目前寫出來的就一定是全面的，只是對于普通的程序員來說，也算比較全面了吧！當然因為東西太多，有可能會有忘記的地方，到時候再更新補充吧。 這里將數組和指針放在一塊介紹，是因為他們很像，很像的東西放在一塊比較能找出它們的差異性了，以后使用的時候也就不容易犯迷糊了。并且這里將穿插測試代碼和從匯編的角度去理解 C 語言，這樣可能更容易掌握指針。 注意，所有的測試工作都是在 KEIL 、STM32開發平臺下的，其他平臺不敢保證這是對的。 先概括一下本文大綱（如果道友看到的不全，請關注公眾號查看）： 1、解析指針的過程與意義（重點） 2、指針大小、強制轉換、二級指針、結構體指針、函數指針 3、指針和數組 4、指針與寄存器 5、指針與外設 6、溢出與使用效率問題

解析指針的過程與意義（重點）

什么是指針？魚鷹不想用教科書式的語句去介紹，這樣就失去了本篇筆記的意義了。 現在我們想象這樣一個場景，廣場里有一個個由學生組成的方陣，每個方陣有大有小，這些學生由教官統一指揮（軍訓場景）。

現在教官想要通知第一方陣的2號同學唱首軍歌該怎么做？正常情況下應該是教官眼睛先看向第一方陣的位置，然后看向2號同學（發現是黃四郎），“抬起頭來，唱首《中國軍魂》”，實際上他想走個“走個虎虎生風，走個一日千里，走個恍如隔世”（教官尋找2號同學的過程其實就是結構體內數據尋址的過程）。

一個、兩個人的通知，對教官來說不算啥，但是如果有很多人需要分別通知到呢？ 怎么辦？分級管理。

既然力不從心，那么我就找幾個助手唄（也是學生，但不屬于各個方陣內的學生，上圖藍色部分學生，學生助手比較特殊，占用位置空間大小是方陣內學生的4倍，畢竟是小官了）。 剛開始這些學生助手滿腦子都是在想著怎么偷懶，不想軍訓，怎么辦，只能先來個思想教育（指針清零），然后讓每個助手記憶各自方陣的成員（指針賦值），還有可能時間緊，思想教育都省了，直接記憶。 一段時間后，每個助手對方陣內的各個成員都熟悉起來了。 熟悉到什么程度呢？你隨便問一個位置他都知道那里站的是誰，比如10號位置就是張三，12號位置是李四。 但是你要問他其它方陣內的同學，他就支支吾吾了。 現在假設他們管理的方陣如下：

現在管理很明確了，咱再來通知一遍！ 為了通知黃四郎唱軍歌給教官聽，教官就得先告訴助手學生A，再讓A同學通知2號唱歌。 其他方陣內的通知也是同樣道理。 這樣一來，想通知哪個方陣的哪位同學，只要通知管理該方陣的助手即可，該助手自會通知到具體的同學的。 如此這般，教官只要管理六個人，就能把六個方陣的所有學生都管理起來了，大大減少了教官的管理負擔，但是好處僅是如此嗎？非也！ 現在假設第一方陣的學生都有一個替身（可理解為影分身，特點就是基因相同，也長得一樣，比如1號同學很聰明，那它的替身也聰明，3號同學比較笨，它的替身也比較笨，但是它們的記憶可能不一樣）：

現在助手人數只有那么多，不夠該咋辦？ 從道理上講，應該找管理第一方陣的助手A代理替身第一方陣，為啥，因為他最熟悉第一方陣的人員配置啊（比如他知道21號同學有事請假了，所以替身第一方陣也沒有它的替身，這樣教官要找21號時助手A就可以馬上他說不在了），但是學生助手A不愿意啊，這怎么行，一個人管兩個方陣，會累死人的，可教官不管，畢竟上哪找一個能很快熟悉第一方陣的人啊。 但是既想讓助手A管理分身方陣，又要照顧助手A的心情，不能有讓他抗拒心理，咋辦？ 很快，教官想出了辦法：催眠（換句話說，就是修改記憶）。 教官是個催眠高手，很快助手A就被催眠了，雖然第一方陣和替身方陣長得一模一樣，但是它們站的位置是不一樣的，所以他認定了離教官遠的那個方陣是他管理的方陣，而旁邊那個才是分身方陣。

現在繼續通知2號黃四郎（“咋又是我啊”），不過這一次通知的是他的替身，這下該怎么做呢。 因為事先助手A已經被催眠了，所以當教官告訴助手A要找黃四郎時，助手A自然而然的通知了替身方陣內的黃四郎，而且他很高興的執行了，因為不用多管一個方陣了。 當教官要通知真正的黃四郎時，又得催眠一遍，讓助手A認定離教官近的是自己管理的方隊，沒辦法，缺人嘛，只能教官辛苦一下了。 現在咱們再假設一種情況，第四方陣的替身組成了一個新方陣，有幾個推遲上學的趕回來軍訓了，教官將他們安排在第四方陣后面：

同樣的，還是缺人，這個時候應該催眠誰呢？ 當然是學生助手D了，為啥，因為第四方陣他最熟悉啊，第四方陣（部分替身）和第四方陣只有兩點不同： 第一：站的位置不一樣。 第二：多了后面部分遲到同學。 催眠他去管理這部分學生是不錯的選擇，但是因為學生D只對原生的第四方陣熟悉，對后面趕來的同學不熟悉，無法管理，也不知道原來30號同學后面還有一堆人（嗯，近視了），所以教官問催眠后的助手D方陣共有幾人時，只會說共有30人，4人未到。

所以教官被學生D誤導了，他很相信學生D報告的結果，但是如果他去替身方陣后面查看的話，會發現那里還站著不少人呢！ 上述場景描述應該很容易就理解了，那么如何和我們的C語言指針聯系起來呢？ 教官是CPU，一個個學生所站的位置就是內存空間，而學生是這塊空間的屬性（聰明還是笨，或者其他屬性），而學生的記憶就是內存空間的內容。 那么方陣是什么？由程序定義的數據結構。這個數據結構需要占用空間，有大有小，也可能內部空缺（內存對齊需要）。 那么那些助手又是什么？本篇的主角：指針。雖然它擔任著管理任務，但是它的本質還是學生，只是賦予了管理職責（它也可以只管理一個學生（字節），不一定是方陣（結構體等））。 那么那兩個假設在C語言中又代表了什么？ 重新賦值和強制轉換賦值（強行把一個大方陣交給一個只能管理小方陣的助手，但是他自己本身是不知道自己管理了超出自己能力的方陣的）。 現在我們再往細了說，和實際C語言代碼聯系起來：

上圖定義了三個方陣，每個方陣的結構是不太一樣的（關于typedef和struct關鍵字可看魚鷹相關筆記），為了更好的理解接下來的知識，以方陣 1 為例介紹上述代碼的含義。 注釋“方陣藍圖”部分，就如注釋一般，就是一個藍圖，它只是告訴編譯器，這個方陣1應該怎么安排，但實際上根本還不存在這個東西，這就是一張藍圖，只用于參考之用（可理解為建筑工人拿著一張建筑圖，準備按建筑圖的模樣建造一棟房子，但還沒開始建）。 那怎么利用這個藍圖搭建一個方陣出來呢（按建筑圖搭建出一個實實在在的房子）？在C語言里面只需要一句話即可完成，就是上圖中另一個方框內的代碼。 那么第一個假設在C語言里是怎樣的呢？ 首先需要一個替身方陣，這個方陣和方陣1應該是一樣的，因為方陣 1 是按照藍圖設計的實物（在內存中占有空間，而方陣藍圖不存在內存中），所以咱們可以用藍圖繼續建一個方陣出來：

可以看到這個替身方陣1（SquareMatrix_1_StandIn）和方陣1的創建過程沒有兩樣，換句話說，兩者是等價的，只有一點區別，就是占用的內存位置不一樣（可理解為你在北京建了一個房子，然后又在深圳按照北京的房子樣式又建了一棟一模一樣的房子，區別就是現實中你可以直接以北京的房子為藍圖建造，而在C語言中，你必須先有一個藍圖，才能建一棟北京的房子（SquareMatrix_1）和深圳的房子（SquareMatrix_1_StandIn））。 現在我們理解了替身方陣和方陣之間的關系，再來說說前面所說的催眠問題，在C語言中是如何實現的呢？ 首先需要一個助手，這樣才有催眠對象嘛。這個助手有什么特別（屬性）呢：他只能管理以方陣1為藍圖構建的方陣。在C語言怎么達到這個要求呢？

這樣符合要求的助手A就誕生了。 現在教練（CPU）讓他管理去管理方陣1：

可以看到，在實際代碼中根本沒有CPU（教官）的身影，但它卻無處不在，因為代碼就是靠CPU一步步執行的。 現在又想讓他管理替身方陣，就得催眠一下：

可以看到，你理解的催眠在C代碼上和開始教練就讓助手A管理方陣1沒啥區別，從宏觀上理解，開始就讓助手A管理方陣1也可以認為是一次催眠操作，只是在這次催眠之前助手A是沒有任何管理對象的。從這里也可以理解，單獨的沒有指向一塊內存的指針是沒有意義的，就和光桿司令一樣，只有一個司令，沒有兵，怎么打仗，這樣理解之后，你就不會讓光桿司令（沒有分配士兵）去打仗了，而只要有一個小兵，那么司令就能指揮了。 那么第二個假設在C語言中又是怎么回事呢？

按照C語言要求，必須先有一個藍圖（專業術語稱為“聲明”），然后才能創建一個新方陣出來，并且需要一個能管理方陣2的助手B：

因為在誕生助手B的時候，基因上決定了他只能管理方陣1，對使用新藍圖SquareMatrix_2_PartTypedef創建的SquareMatrix_2_Part是無法管理的，但是因為SquareMatrix_2_Part前面部分是利用方陣2的藍圖構建的，所以讓他管理前面部分的倒是沒有問題，這個和催眠又有點差別：

前面說了C語言，現在又不得不說一說匯編語言與編譯器。那么怎么理解它們之間的關系呢？ C語言和匯編語言之間隔了一個編譯器。 用通俗的話介紹就是，一個不懂鳥語的人（C程序員），要和鳥（單片機）對話，就要一個懂鳥語的人做翻譯官，通過這個翻譯官將人類的語言（C語言）和轉化成鳥語（匯編語言），從而實現對話。 只不過，他們的交流是一次性完成的，就是說不懂鳥語的人把所有要說的話（C語言代碼）一次性告訴翻譯官，翻譯官翻譯好了之后（匯編語言代碼），再告訴鳥（單片機），“你應該干啥、不該干啥”，小鳥記住了之后，就一遍遍按照要求重復執行了。 從這里可以明白，單片機存放的是匯編代碼（更準確是0、1的二進制），而不是我們程序員看到的C語言代碼。 另外還可以知道的一點就是，與其說我們程序員是在和單片機打交道，不如說同時在和單片機與編譯器打交道，既要了解單片機（鳥）能干什么，也要清楚編譯器的規則，不能讓翻譯官譯錯了你的意思，否則你說往東，他還以為你說往西呢！ 看過一個故事，說Unix操作系統的創造者，總是能很快的黑進任何一個Unix系統，別人一直以為是Unix代碼中留下了暗門，但查了很久也沒發現，后來才知道是編譯源碼的編譯器留下了暗門。 不管這個故事是否真實，但編譯器的重要性毋庸置疑。 現在我們再簡單聊聊編譯器的一點好處，讓我們知道為什么需要編譯器。 了解匯編的人都知道，單片機的內存都是程序員分配的，而且是直接和內存地址打交道。 比如1號內存放一個同學，2號內存放另一個同學（所有內存空間都進行了編號，就是地址），找人的時候就通過這個編號找。但是數字記憶不是人類的強項，所以就給這些編號命名了一個別名，比如1號叫做張三，2號是李四，當叫2號唱歌時，只要叫李四即可。

但事實上很少有人這么干！畢竟如果只是取個別名也沒方便到哪里去。 更多的時候，我們都是告訴編譯器，我們需要兩個空間，一個空間放張三，一個空間放李四，但具體放在哪，我不管：

?

編譯后，從 .map 文件中（如何打開該文件可參考魚鷹以前的筆記）可知道，編譯器將這兩個命名為張三和李四的空間放在了0x20000018 和 0x20000019 （注意這里沒有4字節對齊）里面（事實上，每次改變代碼后編譯，這些空間地址可能會發生變化，不變的是這個空間名，你總是能通過這個空間名去訪問一塊內存，只是可能兩次編譯后再訪問時，它所在的空間地址不一樣罷了，一般來說，這沒什么大不了的，畢竟每次使用這塊空間前都會進行初始化）。 所以在這件事上，編譯器為我們做了兩件事：第一，分配內存地址；第二，命名這塊空間名字（事實上還有第三件事情，規定這個空間只能放char類型數據）。 而張三、李四這個名字不僅代表了兩塊空間，還有一個額外的空間屬性要求：只能存放char類型數據，操作這些空間時一定要注意這一點（有些錯誤操作可能編譯器會發出提示信息，而有些操作編譯器發現不了，所以需要額外注意）！ 其實引入編譯器的好處不止于此，這里只是簡單介紹，不深入講述。 現在我們再來從匯編語言的角度去看指針賦值與強制轉化過程。

從上面可以看到，所謂的指針賦值和強制轉化，在匯編代碼的層面上可以說完全一樣，都只是賦值操作，都是將方陣的地址賦值給寄存器R0，方陣指針的地址給寄存器R1，最后方陣的地址賦值給方陣指針所在的地址（從這可以了解到，內存和內存之間不可以直接操作，必須通過寄存器中轉，這就是為什么明明只有一條C語言代碼，匯編語句卻有多條的原因之一了，C語言封裝了很多操作細節，雖然我們可以不去深究，但必須了解它的存在）。 以第一條C語句為例，用示意圖表示（只把涉及到的內存空間畫出，填充顏色部分為實際內存空間，未填充部分用于說明空間地址或者寄存器，xxxxxxxx表示不必關心原來的內容是什么，紅色表示操作后發生的變化）：

而操作結構體內的變量Student_12如下：

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首先把0賦值給R0，把指針所在的空間地址（0x080010CC處存在一個地址）賦值給R1，再把R1存在的地址的內容賦值給R1（這時這個R1存放的就是方陣結構體的首地址），最后把R0賦值給相對R1地址偏移4的Student_12中。 示意圖如下：

而直接操作結構體的方式如下（不采用指針）：

首先將0x01賦值給R0，然后將0x080010CC處的內容賦值給R1，最后把R1的內容當做地址，并將R0賦值給這個地址相對偏移0x04的地址處。 示意圖如下：

從中對比兩者操作可以發現，當不使用指針操作0x20000054空間時，只需要三條語句，而使用指針，因為涉及到對0x20000010內存空間的操作，多增加了一條指令，即從0x20000010（指針）處獲得操作基地址0x20000050，再做最終的賦值操作，除此之外的操作指令都是類似的。

????????????????????（通過KEIL查看結構體內的變量在內存中的地址） 從上面也可了解到，所謂的指針，只是人為的把內存里面的內容當做地址而已，因為你把存在0x20000010處的0x20000050當做了地址去操作，才存在如下關系：

你使用C語言去操作0x20000010時才會影響到0x20000050處的變量。 但是如果你不把它0x20000050當做地址，而只是當做普通數據處理也是可以的：

（事實上，當增加變量data 編譯之后，SquareMatrix_1_Assistant的內容不再是0x20000050，而是變成了0x20000058，這里我們假設編譯器為之前的變量分配的空間地址不變） 當然你現在又希望把這個數據當成地址，咋辦？

這樣一來，不僅把數據0x20000050當成了地址，還改變了可訪問的數據大小，即只能訪問int大小數據，結構體內的其他數據無法訪問：

我們嘗試對0x20000058這個地址賦值：

當你理解了上述內容，你會發現，指針，不過如此！ 其實通過以上內容的講述，我們也可以總結使用一塊內存需要注意的三個要素：地址、基因（屬性）、內容。 所謂地址，就是這個空間所在的地址；屬性，就是規定這塊內存能存放什么東西，char還是int，或者其他自定義類型等等；而內容就是內存中存放的東西，這是程序員真正需要的東西，前兩者都是為其服務的。 那這個和指針有啥關系，別忘了前面所說，指針也是一塊內存，只是這個內存的屬性規定了兩個，第一，存放指針（這個也只是普通數據，只是需要按照C語言要求處理），第二，這個指針指向的內容是char、int……數據類型而已（也可能會規定其他屬性，這里不討論），從內存空間的角度上，所謂的指針和普通的數據類型沒有本質區別。 那么學習指針有什么好辦法嗎？魚鷹認為，除了要深刻理解指針外，還有就是要像魚鷹一樣，畫圖去表示它們之間的關系（不用像前面一樣畫的那么清楚，畫個示意圖即可），只有這樣，你才不會被那些指向關系搞得稀里糊涂。也只有這樣，你才能在代碼中靈活運行指針去做你任何想做的事情。 ?

這篇筆記修修改改不知道多少次，原以為能比較快就能寫好的，但事實上花了好幾天才寫完，因為魚鷹要盡可能的將故事貼合實際的 C語言運行情況，所以花了不少時間去思考，但真正難的還在于如何把心中所想畫出相應示意圖，這個是最耗費時間的。

盡管如此，指針這一塊還是沒有完成，道友看了前面大綱也可了解，這只是第一點內容，后面還有五點沒寫，以后有時間再說吧。

編輯：黃飛