一文淺析C語(yǔ)言和指針的本質(zhì)

什么是指針?

指針是C語(yǔ)言中一種特殊的變量，它可以存儲(chǔ)另一個(gè)變量的內(nèi)存地址。通過(guò)指針，我們可以間接地訪問(wèn)或修改內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，而不需要知道它們的具體位置。指針是C語(yǔ)言的靈魂，它使得C語(yǔ)言具有強(qiáng)大的功能和靈活性，但也帶來(lái)了一些復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)。

為什么要使用指針?

指針的用途非常廣泛，它可以幫助我們實(shí)現(xiàn)一些C語(yǔ)言中的核心功能，例如：

動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配：通過(guò)指針，我們可以在運(yùn)行時(shí)根據(jù)需要申請(qǐng)或釋放內(nèi)存空間，而不必事先確定大小或數(shù)量。

數(shù)組和字符串：數(shù)組和字符串本質(zhì)上都是指針，它們指向一段連續(xù)的內(nèi)存空間，其中存儲(chǔ)了多個(gè)相同類型的數(shù)據(jù)或字符。通過(guò)指針，我們可以方便地操作數(shù)組和字符串中的元素，或者傳遞它們作為函數(shù)的參數(shù)。

函數(shù)指針：函數(shù)指針是一種指針，它指向一個(gè)函數(shù)的入口地址。通過(guò)函數(shù)指針，我們可以實(shí)現(xiàn)函數(shù)的回調(diào)或者多態(tài)，即根據(jù)不同的情況調(diào)用不同的函數(shù)。

鏈表和樹：鏈表和樹是兩種常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它們由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含一個(gè)或多個(gè)指針，指向其他節(jié)點(diǎn)。通過(guò)指針，我們可以構(gòu)建和遍歷這些復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各種算法和應(yīng)用。

那么， 什么是指針，為什么大家都想避開指針。

很簡(jiǎn)單， 指針就是地址，當(dāng)一個(gè)地址作為一個(gè)變量存在時(shí)，它就被叫做指針，該變量的類型，自然就是指針類型。

指針的作用就是，給出一個(gè)指針，取出該指針指向地址處的值。為了理解本質(zhì)，我們從計(jì)算機(jī)模型說(shuō)起。

宏觀看來(lái)，計(jì)算機(jī)可以分為兩類：

存儲(chǔ)-執(zhí)行計(jì)算機(jī)。

這類機(jī)器典型的例子就是我們平時(shí)使用的計(jì)算機(jī)，有一個(gè)CPU，有一個(gè)內(nèi)存，CPU僅包含運(yùn)算邏輯，所有的指令和數(shù)據(jù)都在內(nèi)存中，內(nèi)存僅供存儲(chǔ)，不包含任何運(yùn)算組件。

現(xiàn)場(chǎng)編程計(jì)算機(jī)。

這類機(jī)器的典型例子就是ASCI電路，F(xiàn)PGA這種。直接針對(duì)特定的需求構(gòu)建邏輯電路，然而，由于存在笛卡爾積的問(wèn)題，不太適合通用計(jì)算。

我們看我們平時(shí)使用的存儲(chǔ)-執(zhí)行模型的計(jì)算機(jī)工作模式：

CPU在地址總線上發(fā)射一個(gè)地址到內(nèi)存。

內(nèi)存把特定地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)返回到數(shù)據(jù)總線。

看起來(lái)，通用計(jì)算機(jī)就是通過(guò)指針完成所有工作的。CPU沒(méi)有能力直接操作內(nèi)存里的值，它必須做以下的操作以迂回：

從特定地址A0取出值V0。

對(duì)V0進(jìn)行加工運(yùn)算生成V1。

將V1存入特定地址A1。

太初，人們就是按照以上的這么個(gè)邏輯編程的，這就是匯編語(yǔ)言：

mov -0x4c(%rbp),%ebx

然而，這樣太麻煩了，C語(yǔ)言隨著簡(jiǎn)單通用的UNIX操作系統(tǒng)而生，下面的語(yǔ)句看起來(lái)更加方便：

int a = 10;

char *p = &a;

*p = 13;

C語(yǔ)言直接映射了CPU的工作方式，而且是用極其簡(jiǎn)單的方式，這就是C語(yǔ)言的藝術(shù)。

這就是C指針的背景。在那個(gè)年代，人們還沒(méi)有渴望計(jì)算機(jī)幫助完成更復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯，人們只是希望用一種更加簡(jiǎn)單的方式抽象出計(jì)算機(jī)的行為，最終的結(jié)晶，就是C語(yǔ)言。

于是，我們說(shuō)，C語(yǔ)言的精華就是指針，指針是C語(yǔ)言的一切。我們可以沒(méi)有if-else語(yǔ)言，我們可以沒(méi)有switch-case語(yǔ)句，我們可以不要while，我們不要for，但我們必須有指針。

是的，我們可以用指針函數(shù)的狀態(tài)矩陣代替if-else之類：

int (*routine)[...];

...

condition = calc(...);

routine[condition](argv);

我們用狀態(tài)矩陣成功規(guī)避了if-else…可以看到，還是用的指針。

…

指針是存儲(chǔ)-執(zhí)行模型的計(jì)算機(jī)工作的必要條件!

我們?cè)倏创鎯?chǔ)-執(zhí)行模型的計(jì)算機(jī)的工作方式：

給定一個(gè)地址，CPU就可以取出該地址的數(shù)據(jù)。

給定一個(gè)地址，CPU就可以寫入該地址一個(gè)值。

這意味著什么?

只要想讓CPU正常工作，就必須暴露整個(gè)內(nèi)存地址空間給CPU，否則CPU就是一堆毫無(wú)用處的門電路，換句話說(shuō)， 一切來(lái)自內(nèi)存!操作內(nèi)存就必然要用指針!

其實(shí)，C語(yǔ)言就是簡(jiǎn)化版的匯編語(yǔ)言。最終，C語(yǔ)言接力匯編用指針創(chuàng)造了世界。

不管怎么樣，C語(yǔ)言是面向計(jì)算機(jī)的編程語(yǔ)言，而不是面向業(yè)務(wù)的編程語(yǔ)言，它映射了計(jì)算機(jī)的工作方式而不太善于描述業(yè)務(wù)邏輯，因此，C語(yǔ)言深受黑客，編程手藝人這種計(jì)算機(jī)本身的愛好者喜愛，卻不被業(yè)務(wù)程序員待見，因?yàn)閿[弄指針確實(shí)太繁瑣復(fù)雜了，一不小心就會(huì)出錯(cuò)。

存儲(chǔ)-執(zhí)行模型的問(wèn)題在于，要設(shè)計(jì)復(fù)雜的帶外機(jī)制防止內(nèi)存被任意訪問(wèn)，由此而來(lái)的就是復(fù)雜的分段，分頁(yè)，訪問(wèn)控制，MMU等機(jī)制，當(dāng)然，這些機(jī)制和CPU依靠指針訪問(wèn)內(nèi)存的工作方式并不沖突。

把C語(yǔ)言指針用的最絕的應(yīng)該就是Linux內(nèi)核的嵌入式鏈表 struct list_head 了：

struct list_head {

struct list_head *next, *prev;

};

它可以代表一切，它通過(guò)C指針完美詮釋了OOD，list_head是世界的基類!

通過(guò)container_of宏，list_head可以轉(zhuǎn)換為任意對(duì)象：

/**

* container_of - cast a member of a structure out to the containing structure

* @ptr: the pointer to the member.

* @type: the type of the container struct this is embedded in.

* @member: the name of the member within the struct.

*

*/

#define container_of(ptr, type, member) ({

void *__mptr = (void *)(ptr);

BUILD_BUG_ON_MSG(!__same_type(*(ptr), ((type *)0)->member) &&

!__same_type(*(ptr), void),

"pointer type mismatch in container_of");

((type *)(__mptr - offsetof(type, member))); })

這個(gè)轉(zhuǎn)換背后的依賴，正是指針：

然而，C語(yǔ)言依然對(duì)業(yè)務(wù)編程不友好，前面說(shuō)了，C語(yǔ)言映射的就是計(jì)算機(jī)工作方式本身，若想用好C語(yǔ)言，就必須要懂計(jì)算機(jī)原理，這并不是業(yè)務(wù)程序員的菜，業(yè)務(wù)程序員只是編寫業(yè)務(wù)邏輯，并不在乎計(jì)算機(jī)是如何工作的。

曾經(jīng)，計(jì)算機(jī)還是一群癡迷于技術(shù)本身的極客們的玩具，計(jì)算機(jī)是屬于他們的，他們用C編程，用Perl/Python/Bash粘合二進(jìn)制程序。進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，隨著越來(lái)越復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯出現(xiàn)，越來(lái)越多的職業(yè)程序員開始成了多數(shù)派，他們開始使用更加業(yè)務(wù)友好的語(yǔ)言，Java，Go便成功了。