C++指针详解1_malloc内存分配、指针常量结合以及指针加减带来的地址偏移

系列前言

本系列参考书目：《深入理解C指针》《C和指针》《征服C指针》
旨在对书中内容进行提炼，将重要结论和底层原理配合丰富的代码实例来加深大家对C指针的理解；
下面是本节的主要内容

• size_t等多种指针常用数据类型介绍
• 指向指针的指针
• 指针常量 常量指针 指向常量的常量指针
• malloc calloc realloc
• 迷途指针
• 简单的返回值为指针的函数

指针常用四种预定义数据类型

1. size_t 实际上是一个无符号整型
2. ptrdiff_t 表示指针算术运算
3. intptr_t uintptr_t 表示用来存储指针地址

// intptr_t可以存储长长整数型指针，而uintptr_t存储无符号整数指针
// 不可以直接将整数赋给uintptr_t，而是需要强转类型才可以 
long long num;
intptr_t *p1 = #

// 强转类型后我们可以使用uintptr_t指向整数变量num
uintptr_t *p2 = (uintptr_t *)num;

指针直接加减带来的地址问题

请注意以下定理

1. 对某指针直接加减，实际上是对地址进行加减
   因为int占用4字节，所以如下代码进行自增后实际上是增加了一个int占用字节的地址，请注意注释写出的地址变化
2. 指针相减相加返回两个指针之间的地址“单位差”，譬如对于int类型，一个单位就是4字节

int vector[] = {12, 43, 99};
int *p1 = vector;
printf("%d\n",*p1); // 假设初始地址100
p1++;
printf("%d\n",*p1); // 此时地址为104
p1++;
printf("%d\n",*p1); // 现在地址变成108

int *p2 = vector;
int *p3 = vector+2;
printf("p3-p2=%d\n",p3-p2);

指向指针的指针

所谓指向指针的指针很好理解，就是指针嵌套，依据以下代码做出解析

1. 首先构造一数组b，然后用取地址运算符将a指向数组b的首地址！
2. 之后新建一int类型的二重指针c，指向指针a（只有对使用&a才可以将a转换成int**的格式，这样才能正常赋值）
3. 因为c是一双重指针，所以c[0]实际上就是a，而*c[0]才等于a[0]
4. 最后结果显而易见，是1，即第一个元素

int *a, b[] = {1, 2, 3};
a = &b[0];              // 指针指向数组
int **c = &a;           // 将指针的指针指向一个指针
printf("%d\n", *c[0]);  // result = 1

经典常量与指针结合三板斧

1. 指针常量（const在*前）：它是一个指针，但无法通过解引用自己来改变指向对象的值
2. 指向非常量的常量指针（const在*后）：必须指向一非常量，指向对象不可变，但指向对象值可变
3. 指向常量的常量指针（const分居*两侧）：指向对象不可变，指向对象的值亦不可变

// 指针常量，const放在数据类型的前后无所谓，但必须在*前面
int const *a;
const int *b;

// 指向非常量的常量指针
int *const c;

// 指向常量的常量指针
const int *const d;

易错点

• 当指针被任意多个不限位置的const修饰后，在Printf中需要用*解引用才可以显示其指向的内容
• 而正常的没有被任何const修饰的指针都可以直接调用其指向的数值

malloc内存分配

1. 原则：非静态的指针都需要执行内存分配来初始化，否则会出现内存错误
2. malloc(sizeof(int))分配一个int大小的内存
3. (int *)对分配的内存进行强制数据转换，之后就可以成功的为指针p1分配内存
4. 静态的局部指针变量或者全局指针变量无法直接分配内存，需要分开两行写
5. malloc calloc realloc都需要头文件stdlib.h
6. 使用外指针务必记得free释放内存！不然怎么GC！

// malloc基本用法
int *p1 = (int *) malloc(sizeof(int));
*p1 = 8;
free(p1);

// 静态的局部指针变量或者全局指针变量分配步骤
static int *p2;
p2 = (int *) malloc(sizeof(int));

针对char类型的指针，因为我们要存储字符串，所以可以使用乘法来分配指定的内存，譬如下方代码分配了8字节的内存

char *str = (char *) malloc(8*sizeof(char));

calloc与memset

1. calloc表示分配指定数量的内存并且将他们都执行默认初始化
2. memset表示内存填充

// calloc第一个参数表示分配数量，第二个为分配大小，下图分配20字节空间
int *p1 = (int *) calloc(5, sizeof(int));

// 参一是欲填充指针，参二是填充数，参三是填充数量
memset(p1,1,5*sizeof(int));

realloc内存大小控制

realloc返回一个void*指针，所以必要情况下需强转类型；
参数一为指针变量，参数二为将该指针变量占据的内存缩小到多少

char *s1 = (char *) malloc(8*sizeof(char));
realloc(s1,3);

迷途指针

也即我们对一个以及free的指针再次执行赋值操作，那么该指针就会指向一不存在的内存（虽然编译器不会报错）

int *p1 = (int *) malloc(sizeof(int));
*p1 = 7;
free(p1);
*p1 = 100;

指针栈与堆

1. 程序栈通常和堆共享一块内存，堆占用上部，栈占用下部
2. 程序栈存储栈帧，栈帧存放函数参数和局部变量，而堆则负责管理动态内存
3. 栈帧的组成部分：返回地址、局部数据存储、参数存储、栈指针与基指针
   栈指针：指向栈的顶部，不是C指针
   基指针：存在并指向栈帧内部地址，如返回地址，同样也不是C指针

基本返回指针的函数

下方展示了一个返回int指针的函数，我们在main方法里调用它并使用完后，务必记得free掉这个指针！

int* pointer(){
    int *nums = (int *) malloc(10*sizeof(int));
    for(int i = 0; i < 10; i++){
        nums[i] = i;
    }
    return nums
}

int main(){
    int* vector = pointer();
    free(vector);
}