指針為C語言編程提供了強(qiáng)大的支持——如果你能正確而靈活地利用指針，你就可以直接切入問題的核心，或者將程序分割成一個(gè)個(gè)片斷。一個(gè)很好地利用了指針的程序會(huì)非常高效、簡潔和精致。
利用指針你可以將數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存中的任意位置，但是，一旦你的程序中有一個(gè)野指針("wild”pointer)，即指向一個(gè)錯(cuò)誤位置的指針，你的數(shù)據(jù)就危險(xiǎn)了——存放在堆中的數(shù)據(jù)可能會(huì)被破壞，用來管理堆的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也可能會(huì)被破壞，甚至操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)也可能會(huì)被修改，有時(shí)，上述三種破壞情況會(huì)同時(shí)發(fā)生。
此后可能發(fā)生的事情取決于這樣兩點(diǎn)：第一，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)被破壞的程度有多大；第二，內(nèi)存中的被破壞的部分還要被使用多少次。在有些情況下，一些函數(shù)(可能是內(nèi)存分配函數(shù)、自定義函數(shù)或標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù))將立即(也可能稍晚一點(diǎn))無法正常工作。在另外一些情況下，程序可能會(huì)終止運(yùn)行并報(bào)告一條出錯(cuò)消息；或者程序可能會(huì)掛起；或者程序可能會(huì)陷入死循環(huán)；或者程序可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果；或者程序看上去仍在正常運(yùn)行，因?yàn)槌绦驔]有遭到本質(zhì)的破壞。
值得注意的是，即使程序中已經(jīng)發(fā)生了根本性的錯(cuò)誤，程序有可能還會(huì)運(yùn)行很長一段時(shí)間，然后才有明顯的失常表現(xiàn)；或者，在調(diào)試時(shí)，程序的運(yùn)行完全正常，只有在用戶使用時(shí)，它才會(huì)失常。
在C語言程序中，任何野指針或越界的數(shù)組下標(biāo)(out-of-bounds array subscript)都可能使系統(tǒng)崩潰。兩次釋放內(nèi)存的操作也會(huì)導(dǎo)致這種結(jié)果。你可能見過一些C程序員編寫的程序中有嚴(yán)重的錯(cuò)誤，現(xiàn)在你能知道其中的部分原因了。
有些內(nèi)存分配工具能幫助你發(fā)現(xiàn)內(nèi)存分配中存在的問題，例如漏洞(leak，見7．21)，兩次釋放一個(gè)指針，野指針，越界下標(biāo)，等等。但這些工具都是不通用的，它們只能在特定的操作系統(tǒng)中使用，甚至只能在特定版本的編譯程序中使用。如果你找到了這樣一種工具，試試看能不能用，因?yàn)樗転槟愎?jié)省許多時(shí)間，并能提高你的軟件的質(zhì)量。
指針的算術(shù)運(yùn)算是C語言(以及它的衍生體，例如C++)獨(dú)有的功能。匯編語言允許你對(duì)地址進(jìn)行運(yùn)算，但這種運(yùn)算不涉及數(shù)據(jù)類型。大多數(shù)高級(jí)語言根本就不允許你對(duì)指針進(jìn)行任何操作，你只能看一看指針指向哪里。
C指針的算術(shù)運(yùn)算類似于街道地址的運(yùn)算。假設(shè)你生活在一個(gè)城市中，那里的每一個(gè)街區(qū)的所有街道都有地址。街道的一側(cè)用連續(xù)的偶數(shù)作為地址，另一側(cè)用連續(xù)的奇數(shù)作為地址。如果你想知道River Rd．街道158號(hào)北邊第5家的地址，你不會(huì)把158和5相加，去找163號(hào)；你會(huì)先將5(你要往前數(shù)5家)乘以2(每家之間的地址間距)，再和158相加，去找River Rd．街道的168號(hào)。同樣，如果一個(gè)指針指向地址158(十進(jìn)制數(shù))中的一個(gè)兩字節(jié)短整型值，將該指針加3=5，結(jié) 果將是一個(gè)指向地址168(十進(jìn)制數(shù))中的短整型值的指針(見7．7和7．8中對(duì)指針加減運(yùn)算的詳細(xì)描述)。
街道地址的運(yùn)算只能在一個(gè)特定的街區(qū)中進(jìn)行，同樣，指針的算術(shù)運(yùn)算也只能在一個(gè)特定的數(shù)組中進(jìn)行。實(shí)際上，這并不是一種限制，因?yàn)橹羔樀乃阈g(shù)運(yùn)算只有在一個(gè)特定的數(shù)組中進(jìn)行才有意義。對(duì)指針的算術(shù)運(yùn)算來說，一個(gè)數(shù)組并不必須是一個(gè)數(shù)組變量，例如函數(shù)malloc()或calloc()的返回值是一個(gè)指針，它指向一個(gè)在堆中申請(qǐng)到的數(shù)組。
指針的說明看起來有些使人感到費(fèi)解，請(qǐng)看下例：
char *p；
上例中的說明表示，p是一個(gè)字符。符號(hào)“*”是指針運(yùn)算符，也稱間接引用運(yùn)算符。當(dāng)程序間接引用一個(gè)指針時(shí)，實(shí)際上是引用指針?biāo)赶虻臄?shù)據(jù)。
在大多數(shù)計(jì)算機(jī)中，指針只有一種，但在有些計(jì)算機(jī)中，指向數(shù)據(jù)和指向函數(shù)的指針可以是不同的，或者指向字節(jié)(如char。指針和void *指針)和指向字的指針可以是不同的。這一點(diǎn)對(duì)sizeof運(yùn)算符沒有什么影響。但是，有些C程序或程序員認(rèn)為任何指針都會(huì)被存為一個(gè)int型的值，或者至少會(huì)被存為一個(gè)long型的值，這就無法保證了，尤其是在IBM PC兼容機(jī)上。
注意：以下討論與Macintosh或UNIX程序員無關(guān)；
最初的IBM PC兼容機(jī)使用的處理器無法有效地處理超過16位的指針(人們對(duì)這種結(jié)論仍有爭議。16位指針是偏移量，見9．3中對(duì)基地址和偏移量的討論)。盡管最初的IBM PC機(jī)最終也能使用20位指針，但頗費(fèi)周折。因此，從一開始，基于IBM兼容機(jī)的各種各樣的軟件就試圖沖破這種限制。
為了使20位指針能指向數(shù)據(jù)，你需要指示編譯程序使用正確的存儲(chǔ)模式，例如緊縮存儲(chǔ)模式。在中存儲(chǔ)模式下，你可以用20位指針指向函數(shù)。在大和巨存儲(chǔ)模式下，用20位指針既可以指向數(shù)據(jù)，也可以指向函數(shù)。在任何一種存儲(chǔ)模式下，你都可能需要用到far指針(見7．18和7．19)。
基于286的系統(tǒng)可以沖破20位指針的限制，但實(shí)現(xiàn)起來有些困難。從386開始，IBM兼容機(jī)就可以使用真正的32位地址了，例如象MS-Windows和OS／2這樣一些操作系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，但MS—DOS仍未實(shí)現(xiàn)。
如果你的MS—DOS程序用完了基本內(nèi)存，你可能需要從擴(kuò)充內(nèi)存或擴(kuò)展內(nèi)存中分配更多的內(nèi)存。許多版本的編譯程序和函數(shù)庫都提供了這種技術(shù)，但彼此之間有所差別。這些技術(shù)基本上是不通用的，有些能在絕大多數(shù)MS-DOS和MS-WindowsC編譯程序中使用，有些只能在少數(shù)特定的編譯程序中使用，還有一些只能在特定的附加函數(shù)庫的支持下使用。如果你手頭有能提供這種技術(shù)的軟件，你看一下它的文檔，以了解更詳細(xì)的信息。
7．1 什么是間接引用(indirection)?
對(duì)已說明的變量來說，變量名就是對(duì)變量值的直接引用。對(duì)指向變量或內(nèi)存中的任何對(duì)象的指針來說，指針就是對(duì)對(duì)象值的間接引用。如果p是一個(gè)指針，p的值就是其對(duì)象的地址；*p表示“使間接引用運(yùn)算符作用于p”，*p的值就是p所指向的對(duì)象的值。
*p是一個(gè)左值，和變量一樣，只要在*p的右邊加上賦值運(yùn)算符，就可改變*p的值。如果p是一個(gè)指向常量的指針，*p就是一個(gè)不能修改的左值，即它不能被放到賦值運(yùn)算符的左邊，請(qǐng)看下例：
例 7.1 一個(gè)間接引用的例子
#include
int
main()
{
int i;
int * p ;
i = 5;
p = & i; / * now * p = = i * /
/ * %Pis described in FAQ VII. 28 * /
printf("i=%d, p=%P, * p= %d\n" , i, P, *p);
* p = 6; / * same as i = 6 * /
printf("i=%d, p=%P, * p= %d\n" , i, P, *P);
return 0; / * see FAQ XVI. 4 * / }
}
上例說明，如果p是一個(gè)指向變量i的指針，那么在i能出現(xiàn)的任何一個(gè)地方，你都可以用*p代替i。在上例中，使p指向i(p＝&i)后，打印i或*p的結(jié)果是相同的；你甚至可以給*p賦值，其結(jié)果就象你給i賦值一樣。
利用指針你可以將數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存中的任意位置，但是，一旦你的程序中有一個(gè)野指針("wild”pointer)，即指向一個(gè)錯(cuò)誤位置的指針，你的數(shù)據(jù)就危險(xiǎn)了——存放在堆中的數(shù)據(jù)可能會(huì)被破壞，用來管理堆的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也可能會(huì)被破壞，甚至操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)也可能會(huì)被修改，有時(shí)，上述三種破壞情況會(huì)同時(shí)發(fā)生。
此后可能發(fā)生的事情取決于這樣兩點(diǎn)：第一，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)被破壞的程度有多大；第二，內(nèi)存中的被破壞的部分還要被使用多少次。在有些情況下，一些函數(shù)(可能是內(nèi)存分配函數(shù)、自定義函數(shù)或標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù))將立即(也可能稍晚一點(diǎn))無法正常工作。在另外一些情況下，程序可能會(huì)終止運(yùn)行并報(bào)告一條出錯(cuò)消息；或者程序可能會(huì)掛起；或者程序可能會(huì)陷入死循環(huán)；或者程序可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果；或者程序看上去仍在正常運(yùn)行，因?yàn)槌绦驔]有遭到本質(zhì)的破壞。
值得注意的是，即使程序中已經(jīng)發(fā)生了根本性的錯(cuò)誤，程序有可能還會(huì)運(yùn)行很長一段時(shí)間，然后才有明顯的失常表現(xiàn)；或者，在調(diào)試時(shí)，程序的運(yùn)行完全正常，只有在用戶使用時(shí)，它才會(huì)失常。
在C語言程序中，任何野指針或越界的數(shù)組下標(biāo)(out-of-bounds array subscript)都可能使系統(tǒng)崩潰。兩次釋放內(nèi)存的操作也會(huì)導(dǎo)致這種結(jié)果。你可能見過一些C程序員編寫的程序中有嚴(yán)重的錯(cuò)誤，現(xiàn)在你能知道其中的部分原因了。
有些內(nèi)存分配工具能幫助你發(fā)現(xiàn)內(nèi)存分配中存在的問題，例如漏洞(leak，見7．21)，兩次釋放一個(gè)指針，野指針，越界下標(biāo)，等等。但這些工具都是不通用的，它們只能在特定的操作系統(tǒng)中使用，甚至只能在特定版本的編譯程序中使用。如果你找到了這樣一種工具，試試看能不能用，因?yàn)樗転槟愎?jié)省許多時(shí)間，并能提高你的軟件的質(zhì)量。
指針的算術(shù)運(yùn)算是C語言(以及它的衍生體，例如C++)獨(dú)有的功能。匯編語言允許你對(duì)地址進(jìn)行運(yùn)算，但這種運(yùn)算不涉及數(shù)據(jù)類型。大多數(shù)高級(jí)語言根本就不允許你對(duì)指針進(jìn)行任何操作，你只能看一看指針指向哪里。
C指針的算術(shù)運(yùn)算類似于街道地址的運(yùn)算。假設(shè)你生活在一個(gè)城市中，那里的每一個(gè)街區(qū)的所有街道都有地址。街道的一側(cè)用連續(xù)的偶數(shù)作為地址，另一側(cè)用連續(xù)的奇數(shù)作為地址。如果你想知道River Rd．街道158號(hào)北邊第5家的地址，你不會(huì)把158和5相加，去找163號(hào)；你會(huì)先將5(你要往前數(shù)5家)乘以2(每家之間的地址間距)，再和158相加，去找River Rd．街道的168號(hào)。同樣，如果一個(gè)指針指向地址158(十進(jìn)制數(shù))中的一個(gè)兩字節(jié)短整型值，將該指針加3=5，結(jié) 果將是一個(gè)指向地址168(十進(jìn)制數(shù))中的短整型值的指針(見7．7和7．8中對(duì)指針加減運(yùn)算的詳細(xì)描述)。
街道地址的運(yùn)算只能在一個(gè)特定的街區(qū)中進(jìn)行，同樣，指針的算術(shù)運(yùn)算也只能在一個(gè)特定的數(shù)組中進(jìn)行。實(shí)際上，這并不是一種限制，因?yàn)橹羔樀乃阈g(shù)運(yùn)算只有在一個(gè)特定的數(shù)組中進(jìn)行才有意義。對(duì)指針的算術(shù)運(yùn)算來說，一個(gè)數(shù)組并不必須是一個(gè)數(shù)組變量，例如函數(shù)malloc()或calloc()的返回值是一個(gè)指針，它指向一個(gè)在堆中申請(qǐng)到的數(shù)組。
指針的說明看起來有些使人感到費(fèi)解，請(qǐng)看下例：
char *p；
上例中的說明表示，p是一個(gè)字符。符號(hào)“*”是指針運(yùn)算符，也稱間接引用運(yùn)算符。當(dāng)程序間接引用一個(gè)指針時(shí)，實(shí)際上是引用指針?biāo)赶虻臄?shù)據(jù)。
在大多數(shù)計(jì)算機(jī)中，指針只有一種，但在有些計(jì)算機(jī)中，指向數(shù)據(jù)和指向函數(shù)的指針可以是不同的，或者指向字節(jié)(如char。指針和void *指針)和指向字的指針可以是不同的。這一點(diǎn)對(duì)sizeof運(yùn)算符沒有什么影響。但是，有些C程序或程序員認(rèn)為任何指針都會(huì)被存為一個(gè)int型的值，或者至少會(huì)被存為一個(gè)long型的值，這就無法保證了，尤其是在IBM PC兼容機(jī)上。
注意：以下討論與Macintosh或UNIX程序員無關(guān)；
最初的IBM PC兼容機(jī)使用的處理器無法有效地處理超過16位的指針(人們對(duì)這種結(jié)論仍有爭議。16位指針是偏移量，見9．3中對(duì)基地址和偏移量的討論)。盡管最初的IBM PC機(jī)最終也能使用20位指針，但頗費(fèi)周折。因此，從一開始，基于IBM兼容機(jī)的各種各樣的軟件就試圖沖破這種限制。
為了使20位指針能指向數(shù)據(jù)，你需要指示編譯程序使用正確的存儲(chǔ)模式，例如緊縮存儲(chǔ)模式。在中存儲(chǔ)模式下，你可以用20位指針指向函數(shù)。在大和巨存儲(chǔ)模式下，用20位指針既可以指向數(shù)據(jù)，也可以指向函數(shù)。在任何一種存儲(chǔ)模式下，你都可能需要用到far指針(見7．18和7．19)。
基于286的系統(tǒng)可以沖破20位指針的限制，但實(shí)現(xiàn)起來有些困難。從386開始，IBM兼容機(jī)就可以使用真正的32位地址了，例如象MS-Windows和OS／2這樣一些操作系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，但MS—DOS仍未實(shí)現(xiàn)。
如果你的MS—DOS程序用完了基本內(nèi)存，你可能需要從擴(kuò)充內(nèi)存或擴(kuò)展內(nèi)存中分配更多的內(nèi)存。許多版本的編譯程序和函數(shù)庫都提供了這種技術(shù)，但彼此之間有所差別。這些技術(shù)基本上是不通用的，有些能在絕大多數(shù)MS-DOS和MS-WindowsC編譯程序中使用，有些只能在少數(shù)特定的編譯程序中使用，還有一些只能在特定的附加函數(shù)庫的支持下使用。如果你手頭有能提供這種技術(shù)的軟件，你看一下它的文檔，以了解更詳細(xì)的信息。
7．1 什么是間接引用(indirection)?
對(duì)已說明的變量來說，變量名就是對(duì)變量值的直接引用。對(duì)指向變量或內(nèi)存中的任何對(duì)象的指針來說，指針就是對(duì)對(duì)象值的間接引用。如果p是一個(gè)指針，p的值就是其對(duì)象的地址；*p表示“使間接引用運(yùn)算符作用于p”，*p的值就是p所指向的對(duì)象的值。
*p是一個(gè)左值，和變量一樣，只要在*p的右邊加上賦值運(yùn)算符，就可改變*p的值。如果p是一個(gè)指向常量的指針，*p就是一個(gè)不能修改的左值，即它不能被放到賦值運(yùn)算符的左邊，請(qǐng)看下例：
例 7.1 一個(gè)間接引用的例子
#include
int
main()
{
int i;
int * p ;
i = 5;
p = & i; / * now * p = = i * /
/ * %Pis described in FAQ VII. 28 * /
printf("i=%d, p=%P, * p= %d\n" , i, P, *p);
* p = 6; / * same as i = 6 * /
printf("i=%d, p=%P, * p= %d\n" , i, P, *P);
return 0; / * see FAQ XVI. 4 * / }
}
上例說明，如果p是一個(gè)指向變量i的指針，那么在i能出現(xiàn)的任何一個(gè)地方，你都可以用*p代替i。在上例中，使p指向i(p＝&i)后，打印i或*p的結(jié)果是相同的；你甚至可以給*p賦值，其結(jié)果就象你給i賦值一樣。