2018-2019-1 20189221 《从问题到程序》第 6 周学习总结

第七章指针

7.1 地址与指针

许多高级语言把程序对象（如变量）的地址作为一种可处理数据，称为地址值或指针值，以地址为值的变量称为指针变量，简称指针（pointer）。我们知道，机器语言层对各种对象的操作都要通过地址。指针变量里保存程序对象的地址，通过它们就可以访问和处理有关对象。高级语言里的指针是访问程序对象的手段，以便能更灵活方便地实施操作。
对指针变量的操作包括：

指针赋值

将程序对象的地址（如变量地址，还有其他情况。为简单起见，下面以变量为例）存入指针变量。
当一个指针变量保存了某个变量的地址时，也说该指针指向了那个变量。
通过指针访问被指对象（变量），称为间接访问。

7.2 指针变量的定义和使用

指向整型变量的指针也简称为整型指针。

取变量地址的操作用一元运算符&；间接访问操作用一元运算符*，也称间接操作。这两个运算符与其他一元运算符的优先级相同，自右向左结合。

利用指针解决问题的方案包括三方面：函数定义时用指针参数；函数里通过指针参数间接访问被指变量；函数调用时把变量地址传给函数。

函数调用时形参与实参的关系：

空指针

空指针是个特殊指针值，也是唯一对任何指针类型都合法的指针值。一个指针变量具有空指针值，表示它当时没指向有意义的东西，处于闲置状态。空指针值用 0 表示，这个值绝不会是任何程序对象的地址。给一个指针赋值 0 就表示要它不指向任何有意义的东西。为了提高程序的可读性，标准库定义了一个与 0 等价的符号常量NULL。

7.3 指针与数组


int *p1, *p2, *p3, *p4; 
int a[10] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
p1 = &a[0]; p2 = p1; p3 = &a[5]; p4 = &a[10];

指针运算：间接访问
由指针值出发进行的运算称为指针运算。

可以通过下面各种方式遍历数组a，打印出a中各个元素：

for (p1 = a, p2 = a+10; p1 < p2; ++p1)
     printf("%d
", *p1); 
for (p1 = a; p1 < a+10; ++p1)
     printf("%d
", *p1); 
for (p1 = p2 = a; p1 - p2 < 10; ++p1)
     printf("%d
", *p1); 
for (p1 = a; p1 - a < 10; ++p1)
     printf("%d
", *p1);

用指针方式实现计算字符串长度的函数。第一种实现方式是：


int strLength (const char *s) {     
	int n = 0;     
	while (*s != '') { 
	    ++s; 
	    ++n; 
	}
    return n; 
}


int strLength (const char *s) {     
	char *p = s;     
	while (*p != '') ++p;     
	return p - s; 
}

例4，考虑用指针参数的方式写出上一章的数组元素划分函数。
为函数定义一对界定数组范围（或数组中一段）的指针参数和一个划分值；
让函数返回划分后的分界位置，这里用指向数组元素的指针值，令它指向大于等于划分值的第一个元素。
如果不存在这种元素，返回指向（数组）序列后面一个位置的指针值。
第一个指针参数指向序列的第一个元素，第二个指针
参数指向序列最后元素之后一个位置。
可以给出下面的定义：


double* partition(double *begin, double *end, double cut) {     while (begin < end) { 
        while (begin < end && *begin < cut) ++begin;         while (begin < end && *(--end) >= cut) ;          if (begin < end) {             double x = *begin; 
            *begin = *end; 
            *end = x; 
            ++begin; 
        }     } 
    return begin; 
}

这里的大循环内部还是用了两个while循环，其中的一个更新向右移的指针，另一个更新向左移的指针。在条件语句内部定义了一个用于交换元素的临时变量。第二个内部的while 语句值得注意。该循环以空语句为体，循环条件中还包括对变量end 的更新。当然也可以用更普通的形式写这个循环。但目前写法很紧凑，熟悉 C 语言的人们经常采用这类简洁写法，因此，在学习 C 语言和程序设计中也应逐渐习惯这类写法。
图 7.6 展示了上述函数对一个数组的处理过程，
假定函数调用时以 5 作为数据的分界值。

(1) 函数开始时，两个参数指针分别指向序列两端（半闭半开）；
(2) 两个内部循环第一次执行之后，两个指针分别指向一对需要交换的元素；
(3) 交换元素并更新指针之后的现场；
(4) 两个内部循环执行之后，begin指针没有动，end指针向左移了一个位置；
(5) 交换并移动指针之后，循环条件失败，循环终止。返回的指针值指向划分之后大于等于划分值的那一段的第一个元素。

7.4 指针数组

指针也是数据，自然就可以定义指针的数组。指针数组在复杂的程序里使用广泛。

7.5 多维数组作为参数的通用函数

按语言规定，当函数参数是两维或更多维数组时，参数说明必须给出除第一维外其他各维的大小。
面讨论可以写出下面函数定义，函数由两个整型参数得到数组两个维的大小：

void prtMatrix (int m, int n, int *mp) {    
int i, j;     
	for (i = 0; i < m; ++i) {         
	for (j = 0; j < n; ++j)             
		printf("%d ", *(mp + i * n + j));         
	putchar('
'); 
    }
}

如果要打印上面定义的数组a，正确的函数调用形式是：
prtMatrix(10, 8, &a[0][0]);
这里&a[0][0]在类型上是指向整型的指针，这正是函数参数mp所要求的类型。

7.6 动态存储管理

程序中需要用变量（各种简单类型变量、数组变量等）保存被处理数据和各种状态信息，变量在使用前必须安排好存储：放在哪里、占据多少存储单元等等，这个工作被称作存储分配。用机器语言写程序时，所有存储分配问题都需要人处理，这个工作琐碎繁杂、容易出错。在用高级语言写程序时，人通常不需要考虑存储分配细节，主要工作由编译程序在加工程序时自动完成。这也是用高级语言工作效率较高的一个重要原因。
C 程序里的变量分为几种。外部变量、局部静态变量的存储问题在编译时确定，其存储空间的实际分配在程序开始执行前完成。程序执行中访问这些变量，就是直接访问它们的固定存储位置。对于局部自动变量，在执行进入变量定义所在的复合语句时为它们分配存储。应该看到，这种变量的大小也是静态确定的。例如，局部自动数组的元素个数必须用静态可求值的表达式描述。这样，一个函数在调用时所需的存储量（用于安放其中的所有自动变量）在编译时就完全确定了。函数定义里描述了所需要的自动变量和参数，定义了数组的规模，这些就决定了该函数在执行时实际需要的存储空间大小。

使用动态存储管理
1）注意检查分配的成功与否。人们常用的写法是：
if ((p = (... )malloc(...)) == NULL) {
.. ... / 对分配未成功情况的处理 */
2）系统对所分配存储块的使用完全不进行检查。写程序的人需要保证这种使用的正确性，切不可超出实际存储块的范围进行访问。
3）动态分配存储块的存在期不依赖于分配该块的位置。如果在某函数里分配了一个块，这个块的存在期与该函数的执行期无关。只有通过free释放这个块，才使其存在期结束。注意，变量存在期的结束时刻就是它所占存储被收回的时刻。
4）如果在某函数里分配了动态存储，并通过局部指针访问这种存储块，那么在函数退出前就必须考虑如何处理这些存储块：或是将它们释放；或是将它们的地址赋给存在期更长的指针变量（如全局变量）。否则，在函数退出时局部指针变量撤销，它们所指的尚未释放的存储块就再也找不到了（流失了）。
5）其他情况也可能造成存储块丢失，例如一个指向动态块的指针赋了其他值，如果原被指存储块没有其他访问路径，那么就再也无法找到它了。如果存储块丢失，在本程序随后的运行中将永远不能再用这个存储块所占的存储。
6）请注意计算机系统里存储管理的关系。一个程序运行时将从操作系统取得一部分存储空间，用于保存其代码和数据。用于数据存储的空间里包括一部分动态存储区，由程序里的动态存储管理系统管理。在这个程序的运行期间，所有动态存储申请都由这块空间里分配。程序代码中释放存储，就是将不用的存储块交还程序的动态存储管理系统。一旦该程序结束，操作系统将收回这个程序所获得的所有存储区域。所以，我们所说“存储流失”是程序内部的问题，而不是整个系统的问题。