C语言指针底层原理

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如果要选出C语言中最重要、难度大的概念是什么，那就是指针！难度大，意味着使用方便、实用高效，同时也意味这个知识点复杂、实用的时候容易出错。指针用的好，可以提高代码执行效率、节约系统资源；如果用的不好，程序中就会出现一定的问题。

今天我们就来聊一下指针。从最底层的内存存储空间开始，一直到应用层的各种指针使用技巧，循序渐进，以最简洁的语言进行讲解，希望能对你有一点点帮助就够了。

说明：素材难找，为了偷懒和方便讲解和理解，文中配图的内存空间的地址是随便写的，在实际计算机中是要遵循地址对齐方式的。

变量与指针的本质

内存地址

我们编写一个程序源文件之后，编译得到的二进制可执行文件存放在电脑的硬盘上，此时它是一个静态的文件，一般称之为程序。

当这个程序被启动的时候，操作系统将会做下面几件事情：

·把程序的内容(代码段、数据段)从硬盘复制到内存中；

·创建一个数据结构 PCB(进程控制块)，来描述这个程序的各种信息

·在代码段中定位到入口函数的地址，让 CPU从这个地址开始执行。

当程序开始被执行时，就变成一个动态的状态，一般称之为进程。

内存分为：物理内存和虚拟内存。操作系统对物理内存进行管理、包装，我们开发者面对的是操作系统提供的虚拟内存。

这 2个概念不妨碍文章的理解，因此就统一称之为内存。

在我们的程序中，通过一个变量名来定义变量、使用变量。

变量本身是一个确确实实存在的东西，变量名是一个抽象的概念，用来代表这个变量。

那么，我们定义一个变量之后，这个变量放在哪里呢？那就是内存的数据区。

内存是一个很大的存储区域，被操作系统划分为一个一个的小空间，操作系统通过地址来管理内存。

内存中的最小存储单位是字节(8个 bit)，一个内存的完整空间就是由这一个一个的字节连续组成的。

32位与 64位系统

我们平时所说的计算机是 32位、64位，指的是计算机的 CPU中寄存器的最大存储长度，如果寄存器中最大存储 32bit的数据，我们就叫作32位系统。

在计算机中，数据一般都是在硬盘、内存和寄存器之间进行来回存取。CPU通过 3种总线把各组成部分联系在一起：地址总线、数据总线和控制总线。地址总线的宽度决定了 CPU的寻址能力，也就是 CPU能达到的最大地址范围。

刚才说了，内存是通过地址来管理的，那么 CPU想从内存中的某个地址空间上存取一个数据，那么 CPU就需要在地址总线上输出这个存储单元的地址。

假如地址总线的宽度是 8位，能表示的最大地址空间就是 256个字节，能找到内存中最大的存储单元是 255这个格子。即使内存条的实际空间是 2G字节，CPU也没法使用后面的内存地址空间。如果地址总线的宽度是 32位，那么能表示的最大地址就是 2的 32次方，也就是 4G字节的空间。

【注意】这里只是描述地址总线的概念，实际的计算机中地址计算方式要复杂的多，比如：虚拟内存中采用分段、分页、偏移量来定位实际的物理内存，在分页中还有大页、小页之分。

变量

我们在 C程序中使用变量来“代替”一个数据，使用函数名来“代替”一个函数，变量名和函数名是程序员使用的助记符。变量和函数最终是要放到内存中才能被 CPU使用的，而内存中所有的信息(代码和数据)都是以二进制的形式来存储的，计算机根据就不会从格式上来区分哪些是代码、哪些是数据。CPU在访问内存实际上是访问地址，而不是访问变量名、函数名。

在程序代码中使用变量名来指代变量，而变量在内存中是根据地址来存放的，这二者之间是通过编译器映射(关联)起来的。

变量有 2个重要属性：变量的类型和变量的值。

示例：代码中定义了一个变量

int a = 20;

类型是 int型，值是 20。这个变量在内存中的存储模型为：

我们在代码中使用变量名a，在程序执行的时候就表示使用 0x11223344地址所对应的那个存储单元中的数据。

因此，可以理解为变量名 a就等价于这个地址 0x11223344。换句话说，如果我们可以提前知道编译器把变量 a安排在地址 0x11223344这个单元格中，我们就可以在程序中直接用这个地址值来操作这个变量。

在上图中，变量 a的值为 20，在内存中占据了 4个格子的空间，也就是 4个字节。为什么是 4个字节呢？在 C标准中并没有规定每种数据类型的变量一定要占用几个字节，这是与具体的机器、编译器有关。

比如：32位的编译器中：

char: 1个字节；

short int: 2个字节；

int: 4个字节；

long: 4个字节。

比如：64位的编译器中：

char: 1个字节；

short int: 2个字节；

int: 4个字节；

long: 8个字节。

为了方便描述，下面都以 32位为例，也就是 int型变量在内存中占据 4个字节。

另外，0x11223344，0x11223345，0x11223346，0x11223347这连续的、从低地址到高地址的 4个字节用来存储变量 a的数值 20。

在图示中，使用十六进制来表示，十进制数值 20转成 16进制就是：0x00000014，所以从开始地址依次存放 0x00、0x00、0x00、0x14这 4个字节(存储顺序涉及到大小端的问题，不影响文本理解)。

根据这个图示，如果在程序中想知道变量 a存储在内存中的什么位置，可以使用取地址操作符&，如下：

printf('&a = 0x%x \n', &a);

这句话将会打印出：&a = 0x11223344。

考虑一下，在 32位系统中：指针变量占用几个字节？

指针变量

指针变量可以分 2个层次来理解：

·指针变量首先是一个变量，所以它拥有变量的所有属性：类型和值。它的类型就是指针，它的值是其他变量的地址。既然是一个变量，那么在内存中就需要为这个变量分配一个存储空间。在这个存储空间中，存放着其他变量的地址。

·指针变量所指向的数据类型，这是在定义指针变量的时候就确定的。例如：int *p;意味着指针指向的是一个 int型的数据。

在 32位系统中，一个指针变量在内存中占据 4个字节的空间。因为 CPU对内存空间寻址时，使用的是 32位地址空间( 4个字节)，也就是用 4个字节就能存储一个内存单元的地址。而指针变量中的值存储的就是地址，所以需要 4个字节的空间来存储一个指针变量的值。

示例：

int a = 20;

int *pa;

pa = &a;

printf('value = %d \n', *pa);

在内存中的存储模型如下：

4.在返回到STM32CubeMX后，在Pinout&Configuration里面的pinout view，点击选择PA8 PIN脚，在弹出的小框里面选择RCC_MCO，使得PA8作为MCO输出PIN脚。同样地方式，设置PA1为GPIO Output。

5.本期先分享到这里，想要进群学习单片机编程的同学可以私信我，回复“我要入门”，与我们一起成长，喜欢的可以点个赞关注我们！