From Gossip@caterpillar

C Gossip: 指標與記憶體位址

在變數中曾經說過，變數（Variable）提供一個有名稱的記憶體儲存空間，一個變數關係至一個資料型態、一個變數本身的值與一個變數的位址值。

變數資料型態決定了變數所分配到的記憶體大小；變數本身的值是指儲存於記憶體中的某個數值，而您可以透過變數名稱取得這個數值，這個數值又稱為 rvalue或 read value；而變數的位址值則是指變數所分配到的記憶體之位置，變數本身又稱為lvalue或 location value。

如果您想知道變數的記憶體位址為何，您可以使用&運算子，&是「取址運算子」（Address-of operator），它可以取出變數的記憶體位址，例如：

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int var = 10; 

    printf("變數 var 的值：%d\n", var);
    printf("變數 var 的記憶體位址：%X\n", &var);
    
    return 0;

}

執行結果：

變數 var 的值：10
變數 var 的記憶體位址：22FF54

這個程式中，您宣告了一個int整數變數var，var指向的記憶體位址是22FF54，這是記憶體位址的16進位表示法，從 22FF54後的4個位元組都是var所配置到的記憶體空間，現在這個空間中儲存值為10。

直接存取變數即直接對所分配到的記憶體空間作存取，指標（Pointer）則提供了間接性，指標可指向特定的記憶體位址，而不直接操作變數或物件，要宣告一個指標，使用以下的語法：

type *ptr;

其中type是指標的型態，每一個指標都有一個相對應的型態，用以指出所指向的資料或物件之型態有所不同，編譯器根據指標型態來確定特定記憶體位址上的資料如何解釋，以及如何進行指標運算（Pointer arithmetic），以下是幾個指標宣告的範例：

int *iptr;
float *fptr;
char *cptr;

您可以使用&運算子取出變數的位址值並指定給指標，例如：

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int var = 10; 
    int *ptr = &var ; 

    printf("變數 var 的位址：%X\n", &var);
    printf("指標 ptr 指向的位址：%X\n", ptr);

    return 0;

}

執行結果：

變數 var 的位址：22FF54
指標 ptr 指向的位址：22FF54

如以上的程式結果所示，您使用&來取出變數var所指向的記憶體位址，然後將這個位址指定給指標ptr，因此ptr所儲存的值就與 &var所取出的值相同。

指標擁有兩種操作特性，一是操作指標所儲存的位址，一是操作指標所指向位址之資料，您可以使用提取（Dereference）運算子*來提取指標所指向位址的資料，例如：

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int var = 10; 
    int *ptr = &var;

    printf("指標 ptr 儲存的值：%X\n", ptr);
    printf("取出 ptr 指向的記憶體位置之值：%d\n", *ptr);
    
    return 0;

}

執行結果：

指標 ptr 儲存的值：22FF54
取出 ptr 指向的記憶體位置之值：10

如果已經取得了記憶體位置，當將某個值指定給*prt時，該記憶體位置的值也會跟著改變，相當於告訴程式，將值放到ptr所指向的記憶體位址，例如：

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int var = 10; 
    int *ptr = &var ; 

    printf("var = %d\n", var);
    printf("*ptr = %d\n", *ptr);

    *ptr = 20; 

    printf("var = %d\n", var);
    printf("*ptr = %d\n", *ptr);
             
    return 0;
}

執行結果：

var = 10
*ptr = 10
var = 20
*ptr = 20

如以上所表示的，當指標ptr所儲存的值與變數var所指向的記憶體位置相同時，當您對*ptr進行指定的動作時，就會將值直接存入該記憶體位置，因此再透過變數var所取出的值也就改變了。

如果宣告指標但不指定初值，則指標指向的位址是未知的，存取未知位址的記憶體內容是危險的，例如：

int *ptr;
*ptr = 10;

這個程式片段並未初始指標就指定值給*ptr，所以會造成不可預知的結果（通常是記憶體區段錯誤），最好為指標設定初值，如果指標一開始不指向任何的位址，則可設定初值為0，表示不指向任何位址，例如：

int *iptr = 0;

在這邊必須注意一個指標宣告常犯的錯誤，在指標宣告時，可以靠在名稱旁邊，也可以靠在關鍵字旁邊，例如：

int *ptr1;
int* ptr2;

這兩個宣告方式都是可允許的，一般比較傾向用第一個，因為可以避免以下的錯誤：

int* prt1, ptr2;

這樣的宣告方式，初學者可能以為ptr2也是指標，但事實上並不是，以下的宣告ptr1與ptr2才都是指標：

int *ptr1, *ptr2;

有時候，您只希望儲存記憶體的位址，然後將之與另一個記憶體位址作比較，這時並不需要關心型態的問題，您可以使用void*來宣告指標，例如：

void* ptr;

由於void型態的指標沒有任何的型態資訊，所以只用來持有位址資訊，您不可以使用*運算子對void型態指標提取值，而必須作轉型動作至對應的型態，例如：

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int var = 10; 
    void *vptr = &var ; 
 
    // 下面這句不可行，void型態指標不可取值 
    // printf("%d\n", *vptr);
 
    // 轉型為int型態指標並指定給iptr 
    int *iptr = (int*) vptr;
    printf("%d\n", *iptr);
    
    return 0;

}

執行結果：

順便來看一下const宣告的變數，被const宣告的變數一但被指定值，就不能再改變變數的值，但是以下這樣是可以改變變數值的：

const int var = 10;
int *vptr = &var;
*vptr = 20;
printf("%d\n", var);

以上的程式會顯示20，如果您不想要該記憶體位置的值被改變，則可以用const宣告指標，例如：

const int var = 10;
const int *vptr = &var;

*vptr = 20; // error, assignment of read-only location

另外還有指標常數，也就是您一旦指定給指標值，就不能指定新的記憶體位址值給它，例如：

int x = 10;
int y = 20;
int* const vptr = &x;
vptr = &y; // error, assignment of read-only variable `vptr'