「C系列」C 指针及其应用案例

一、C 指针

在C语言中，指针是一个非常重要的概念，它允许程序直接访问内存地址，并操作该地址上存储的数据。指针本身是一个变量，但它存储的不是实际的数据值，而是存储数据值的内存地址。

以下是关于C语言中指针的一些基本概念和用法：

1. 指针的定义

指针变量通常通过以下方式定义：

1. int *ptr; // 定义一个指向int类型数据的指针变量ptr

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这里的int *是一个类型，表示这是一个指向int类型数据的指针。

2. 指针的初始化

在定义指针变量后，通常需要将其初始化为一个有效的内存地址。这可以通过以下方式完成：

1. int x = 10;
2. int *ptr = &x; // 将ptr初始化为x的地址

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在这里，&是一个取地址运算符，它返回变量x在内存中的地址。

3. 指针的解引用

解引用指针意味着访问指针所指向的内存地址上的数据。这可以通过在指针变量前加*来实现：

1. int y = *ptr; // 将ptr所指向的int值（即x的值）赋值给y

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4. 指针的运算

指针可以进行一些基本的算术运算，如加法、减法等。但这些运算不是基于指针的值（即内存地址），而是基于指针所指向的数据类型的大小。例如，如果ptr是一个指向int的指针，那么ptr + 1将指向下一个int类型的内存位置。

5. 动态内存分配

在C语言中，可以使用malloc和calloc等函数在运行时动态地分配内存，并将返回的内存地址存储在指针变量中。例如：

1. int *array = (int *)malloc(10 * sizeof(int)); // 分配一个包含10个int的数组的内存

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注意：在使用完动态分配的内存后，应使用free函数释放内存，以避免内存泄漏。

6. 指针的NULL初始化

为了避免野指针（指向无效内存地址的指针），通常会将指针初始化为NULL：

1. int *ptr = NULL;

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7. 指针作为函数参数和返回值

指针经常作为函数的参数和返回值，以实现数据的间接访问和修改。例如，一个交换两个整数值的函数可以接收两个指向整数的指针作为参数：

1. void swap(int *a, int *b) {
2. int temp = *a;
3. *a = *b;
4. *b = temp;
5. }

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8. 指针数组和数组指针

• 指针数组：一个数组，其元素是指针。
• 数组指针：一个指针，指向数组的首个元素。

这两者在语法和用途上有所不同，需要仔细区分。

9. 多级指针

在C语言中，还可以定义指向指针的指针，即多级指针。例如，int **ptr是一个指向int指针的指针。多级指针在某些复杂的数据结构和算法中非常有用。

二、C语言中有哪些内置的指针操作符

在C语言中，与指针相关的内置操作符主要有以下几个：

1. 取地址操作符（&）

• 这个操作符用于获取变量的内存地址。
• 示例：int x = 10; int *ptr = &x; 这里，&x 就是取变量 x 的地址，并将这个地址赋值给指针 ptr。

2. 解引用操作符（*）

• 这个操作符用于访问指针所指向的内存地址中的数据。
• 示例：int y = *ptr; 这里，*ptr 就是访问 ptr 所指向的内存地址上的数据，并将其赋值给变量 y。
• 当 * 出现在声明中时，它表示指针的类型；但在表达式中，它表示解引用操作。

3. 指针算术操作符（+ 和 -）

• 这两个操作符用于指针的算术运算。
• 当用于指针时，它们基于指针所指向的数据类型的大小进行运算。例如，对于指向 int 的指针，ptr + 1 会将指针向前移动一个 int 的大小。
• 示例：ptr++ 和 ptr += 2 等都是有效的指针算术操作。

4. 指针比较操作符（==、!=、<、<=、>、>=）

• 这些操作符用于比较两个指针是否指向相同的内存地址，或者它们在内存中的相对位置。
• 需要注意的是，只有当两个指针指向同一数组（或同一块内存区域）中的元素时，比较它们的大小才有意义。

5. -> 操作符（结构体指针的成员访问）

• 这个操作符用于通过结构体指针访问结构体的成员。
• 示例：如果 struct_ptr 是一个指向结构体的指针，并且该结构体有一个名为 member 的成员，则可以使用 struct_ptr->member 来访问这个成员。

6. . 操作符（结构体的成员访问）

• 虽然这不是一个专门的指针操作符，但在与结构体和指针一起使用时，. 操作符用于通过结构体变量访问其成员。
• 示例：如果 struct_var 是一个结构体变量，并且该结构体有一个名为 member 的成员，则可以使用 struct_var.member 来访问这个成员。

需要注意的是，除了上述操作符之外，还有其他一些操作符（如赋值操作符 =、自增/自减操作符 ++ 和 -- 等）也可以与指针一起使用，但它们并不是专门为指针设计的。

三、常见应用案例

C 语言中的指针具有广泛的应用，以下是一些常见的应用案例及其详细代码：

1. 交换两个变量的值

使用指针可以避免使用临时变量来交换两个变量的值。

1. #include <stdio.h>
3. void swap(int *a, int *b) {
4. int temp = *a;
5. *a = *b;
6. *b = temp;
7. }
9. int main() {
10. int x = 5, y = 10;
11. printf("Before swap: x = %d, y = %d\n", x, y);
12. swap(&x, &y);
13. printf("After swap: x = %d, y = %d\n", x, y);
14. return 0;
15. }

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2. 数组与指针

在 C 语言中，数组名实际上是一个指向数组首元素的指针。

1. #include <stdio.h>
3. void printArray(int *arr, int size) {
4. for (int i = 0; i < size; i++) {
5. printf("%d ", arr[i]); // 也可以使用 *(arr + i)
6. }
7. printf("\n");
8. }
10. int main() {
11. int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
12. int size = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
13. printArray(arr, size);
14. return 0;
15. }

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3. 字符串操作

在 C 语言中，字符串是通过字符数组实现的，而字符串操作经常涉及到指针。

1. #include <stdio.h>
2. #include <string.h>
4. void concat(char *dest, const char *src) {
5. while (*dest) { // 找到 dest 字符串的末尾
6. dest++;
7. }
8. while (*src) { // 复制 src 字符串到 dest 的末尾
9. *dest++ = *src++;
10. }
11. *dest = '\0'; // 添加字符串结束符
12. }
14. int main() {
15. char str1[50] = "Hello, ";
16. char str2[] = "World!";
17. concat(str1, str2);
18. printf("%s\n", str1); // 输出: Hello, World!
19. return 0;
20. }

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4. 链表操作

链表是一种常见的数据结构，它的节点通常通过指针链接在一起。

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
4. typedef struct Node {
5. int data;
6. struct Node *next;
7. } Node;
9. void insert(Node **head, int data) {
10. Node *newNode = (Node *)malloc(sizeof(Node));
11. newNode->data = data;
12. newNode->next = *head;
13. *head = newNode;
14. }
16. void printList(Node *head) {
17. Node *current = head;
18. while (current != NULL) {
19. printf("%d ", current->data);
20. current = current->next;
21. }
22. printf("\n");
23. }
25. int main() {
26. Node *head = NULL;
27. insert(&head, 1);
28. insert(&head, 2);
29. insert(&head, 3);
30. printList(head); // 输出: 3 2 1
31. return 0;
32. }

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5. 动态内存分配

使用 malloc、calloc 和 realloc 等函数在运行时动态地分配和重新分配内存。

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdlib.h>
4. int main() {
5. int *arr = (int *)malloc(5 * sizeof(int));
6. if (arr == NULL) {
7. printf("Memory allocation failed\n");
8. return 1;
9. }
10. for (int i = 0; i < 5; i++) {
11. arr[i] = i + 1;
12. }
13. for (int i = 0; i < 5; i++) {
14. printf("%d ", arr[i]);
15. }
16. printf("\n");
17. free(arr); // 释放内存
18. return 0;
19. }

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