指针算术

Question

有没有对指针算术有良好文章或解释（博客，示例）？目标读者是一群学习C和C++的Java程序员。

- ak

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http://www.c-faq.com第4节。 - Keith Thompson

Answer 1

这是我学习指针的地方：https://cplusplus.com/doc/tutorial/pointers/ 一旦你理解了指针，指针算术就很简单。它与普通算术的唯一区别在于，你要添加到指针上的数字将会乘以指针所指向类型的大小。例如，如果你有一个指向int的指针，而int的大小为4字节，(pointer_to_int + 4) 将计算出一个内存地址，比原来的地址多16字节（4个int）。

所以当你写下这样的代码时：

(a_pointer + a_number)

在指针算术中，实际上发生的是什么？

(a_pointer + (a_number * sizeof(*a_pointer)))

在普通算术中。

- Jeremy Ruten

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但是指针地址不能被加到另一个指针地址上。为什么？ - Martin Erhardt

链接的文章很棒，现在更加清晰易懂了！ - CWitty

@MartinErhardt，你可能会喜欢这个 p = (T*)(((long)p) + ((long)p2)) - GreatAndPowerfulOz

Answer 2

首先，binky 视频可能会有所帮助。这是一个关于指针的好视频。至于算术运算，这里有一个示例：

int * pa = NULL;
int * pb = NULL;
pa += 1; // pa++. behind the scenes, add sizeof(int) bytes
assert((pa - pb) == 1);

print_out(pa); // possibly outputs 0x4
print_out(pb); // possibly outputs 0x0 (if NULL is actually bit-wise 0x0)

_{（请注意，严格来说对包含null指针值的指针进行递增操作是未定义的行为。我们使用NULL是因为我们只关心指针的值。通常情况下，只有在指向数组元素时才使用递增/递减）。}

以下展示了两个重要概念：

• 将整数加/减到指针上，意味着将指针向前/向后移动N个元素。因此，如果int类型的大小为4个字节，在递增1之后，pa可以在我们的平台上包含0x4。
• 将一个指针从另一个指针中减去，意味着得到它们之间的距离，以元素为单位测量。因此，将pb从pa中减去将产生1，因为它们之间有一个元素距离。

拿一个实际的例子来说。假设你写了一个函数，人们给你提供了一个起始指针和一个结束指针（在C++中非常常见）：

void mutate_them(int *begin, int *end) {
    // get the amount of elements
    ptrdiff_t n = end - begin;
    // allocate space for n elements to do something...
    // then iterate. increment begin until it hits end
    while(begin != end) {
        // do something
        begin++;
    }
}

ptrdiff_t 是指 (end - begin) 的类型。在某些编译器中，它可能是 "int" 的同义词，但在另一个编译器中可能是另一种类型。由于不确定，所以选择使用通用的 typedef ptrdiff_t。

- litb

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需要注意的是，<stddef.h>或<cstddef>定义了ptrdiff_t（根据标准）。我认为它不是一个特殊的类型，只是编译器输出的类型的名称（typedef）。 - strager

是的，确实，可能是一些有符号的整数类型。不想深入细节。 - Johannes Schaub - litb

不好意思提醒您，但是您的第一个例子属于未定义行为。 :) 不允许对空指针进行增量操作。 :) - jalf

jalf，谢谢你指出这个问题。我加了一条注释 :) 现在我的说法“如果NULL实际上是按位0”就不对了，因为0是一个零整数。但我想你知道我的意思哈哈 - Johannes Schaub - litb

我通常发现跟随视频教程很困难，但这个Binky的教程超级简单、棒极了，而且还很有趣 : )。只用3分钟就能掌握基础知识。 - RBT

该链接已经没有任何视频。 - Daniyal Yasin

Answer 3

应用自然语言处理技术，也称为地址计算。 '指针'通常会被害怕和误解，因为它们是由错误的人在错误的阶段以错误的方式进行教学的。难怪没有人能够理解它。

在教授指针时，教员会说“p是指向a的指针，p的值是a的地址”等等。这种方法行不通。以下是您可以建立的原材料。练习使用它，您的学生将理解。

'int a'中的'a'是一个整数，它存储整数类型的值。 'int *p'中的'p'是'int star'，它存储'int star'类型的值。

'a'是获取存储在'a'中的整数的方法（尝试不要使用'value of a'） '＆a'是获取a本身存储的位置的方法（尝试说'address'）

'b = a'为使其工作，两侧必须具有相同的类型。如果a是int，则b必须能够存储int。（因此______ b，空白填写'int'）

'p =＆a'为使其工作，两侧必须具有相同的类型。如果a是整数，则＆a是地址，p必须能够存储整数的地址。 （因此______ p，空白填写'int *'）

现在以不同的方式编写int *p以提取类型信息：

int * | p 'p'是什么？答案：它是'int *'。因此，'p'是一个整数的地址。

int | *p '*p'是什么？答案：它是'int'。因此，'*p'是一个整数。

现在进入地址算术：

int a; a = 1; a = a + 1;

“a = a + 1”中我们在做什么？将其视为“下一个”。因为a是数字，这就像说“下一个数字”。由于a保持1，说“下一个”会使它变成2。

// 谬误的例子。你已经被警告了!!! int *p int a; p =＆a p = p + 1;

'p = p + 1'中我们在做什么？仍然在说“下一个”。这次，p不是数字而是地址。因此，我们所说的是“下一个地址”。下一个地址取决于数据类型，更具体地取决于数据类型的大小。 printf（“％d％d％d”，sizeof（char），sizeof（int），sizeof（float））;

因此，地址的'下一个'将向前移动sizeof（数据类型）。

这对我和我曾经教过的所有人都起作用。

- Kinjal Dixit

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不同意“next”的解释。不清楚下一个指针是否相隔4b，或者它是指可以指向的下一个4b（重用之前的低3b）。这种情况很少见，但是这里给出的类比对我来说不起作用。 - mafu

这实际上是一个非常清晰的答案。我真的很喜欢解释“_*p”是整数的可视化部分。 - j3141592653589793238

Answer 4

我认为指针算术的一个很好的例子是下面的字符串长度函数：

int length(char *s)
{
   char *str = s;
   while(*str++);
   return str - s;
}

- arul

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这个例子并没有表明指针一定会每次增加1个字节，这一点经常被忽视。 - mafu

Answer 5

有几种方法可以解决这个问题。

直觉的方法，这是大多数C/C++程序员想到的，即指针是内存地址。litb的例子采用了这种方法。如果你有一个空指针（在大多数机器上对应地址0），并且加上一个int的大小，你会得到地址4。这意味着指针基本上只是花哨的整数。

不幸的是，这种方法存在一些问题。首先，它可能行不通。 不能保证空指针实际上使用地址0。（尽管将常量0分配给指针会产生空指针）。

此外，您不允许增加空指针，或者更一般地说，指针必须始终指向已分配的内存（或一个元素之后），或特殊的空指针常量0。

因此，更正确的思考方式是指针只是迭代器，允许您迭代分配的内存。 这实际上是STL迭代器背后的关键思想之一。它们被建模为非常像指针，并提供专门化的补丁来使原始指针作为适当的迭代器工作。

例如，这里给出了更详细的解释here。

但是这种后一种观点意味着你应该真正解释STL迭代器，然后简单地说指针是这些迭代器的特殊情况。你可以增加一个指针以指向缓冲区中的下一个元素，就像你可以使用std::vector<int>::iterator一样。它可以指向数组末尾的一个元素，就像任何其他容器中的结束迭代器一样。你可以减去两个指向同一缓冲区的指针，以得到它们之间的元素数量，就像你可以使用迭代器一样，如果指针指向不同的缓冲区，你不能有意义地比较它们。（对于为什么不能，请考虑在分段内存空间中会发生什么。两个指向不同段的指针之间的距离是多少？）

当然，在实践中，CPU地址和C/C++指针之间有非常密切的关联。但它们并不是完全相同的东西。指针有一些限制，在你的CPU上可能并不是严格必要的。

当然，大多数C++程序员都在第一种理解上混淆，即使它在技术上是不正确的。它通常足够接近你的代码最终的行为，人们认为他们理解了它，并继续前进。

但对于一个来自Java的人，刚开始学习指针的人来说，后一种解释可能同样容易理解，并且以后不会给他们带来太多惊喜。

- jalf

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重要的是要意识到指针的长度并不总是4个字节。在某些系统（64位）上，它可能是8个字节长。例如，永远不要假设指针与整数的大小相同。因为程序员将指针隐藏在整数中而导致了太多的错误！ - Waxhead

没错，这是一个重要的观点。我本意只是举了一个4字节的例子，但我应该更清楚地表达，因为指针通常并不保证是4个字节，而且它们经常不是。 - jalf

Answer 6

所以，要记住的关键是指针只是一个为解引用而类型化的字长变量。这意味着无论它是void*、int*、long long**，它仍然只是一个字长变量。这些类型之间的区别在于编译器认为解引用类型是什么。只是为了澄清，字长意味着虚拟地址的宽度。如果你不知道这是什么意思，只需记住在64位机器上，指针是8个字节，在32位机器上，指针是4个字节。理解指针的一个超级重要的概念是地址。地址是一个能够唯一标识内存中某个位置的数字。内存中的所有内容都有一个地址。对于我们的目的，我们可以说每个变量都有一个地址。这并不总是正确的，但编译器让我们假设这是正确的。地址本身是字节粒度的，这意味着0x0000000指定了内存的开始，而0x00000001是内存中的一个字节。这意味着通过将指针加一，我们向前移动一个字节到内存中。现在，让我们来看看数组。如果你创建一个类型为quux的32个元素的数组，它将从它的分配开始，到它的分配加上32*sizeof(quux)的开始，因为数组的每个单元格都是sizeof(quux)大。所以，当我们用array[n]指定数组的一个元素时，那只是*(array+sizeof(quux)*n)的简写。指针算术实际上只是改变你引用的地址，这就是为什么我们可以使用它来实现strlen的原因。

while(*n++ != '\0'){
  len++;
}

因为我们只是沿着字节一点一点地扫描，直到遇到零为止。希望这有所帮助！

- gaze

Answer 7

这是一个关于指针算术的链接这里非常不错。

例如:

指针和数组

计算 ptr + i 的地址公式，其中 ptr 的类型为 T *。则地址公式为：

addr( ptr + i ) = addr( ptr ) + [ sizeof( T ) * i ]

对于32位平台上int类型，addr(ptr+i) = addr(ptr)+4*i;

减法

我们也可以计算ptr-i。例如，假设我们有一个名为arr的int数组。 int arr[ 10 ] ; int * p1, * p2 ;

p1 = arr + 3 ; // p1 == & arr[ 3 ] 
p2 = p1 - 2 ; // p1 == & arr[ 1 ] 

- RoundPi

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这可能是真的 - 在32位平台上，int并不保证是32位宽度 - 规则是它必须能够表示[−32767，+32767]，这意味着它至少必须是16位宽度。您可能有一个32位平台，在该平台上编译器将int视为16位或64位宽度。 - Clearer

循环定义@Clearer-通常当我们谈论平台的“位宽”时，我们指的是int的大小（它应该是“自然”的整数类型）。 - Toby Speight

@TobySpeight，“通常”是无关紧要的。 - Clearer