C指針的這些使用技巧，掌握后立刻提升一個Level

這是道哥的第016篇原創

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目錄

• 一、前言
• 二、八個示例
  • 1. 開胃菜：修改主調函數中的數據
  • 2. 在被調用函數中，分配系統資源
    • 2.1 錯誤用法
    • 2.2 正確用法
  • 3. 傳遞函數指針
  • 4. 指向結構體的指針
  • 5. 函數指針數組
  • 6. 在結構體中使用柔性數組
  • 7. 通過指針來獲取結構體中成員變量的偏移量
  • 8. 通過結構體中成員變量的指針，來獲取該結構體的指針
• 三、總結

一、前言

半個月前寫的那篇關於指針最底層原理的文章，得到了很多朋友的認可(鏈接: C語言指針-從底層原理到花式技巧，用圖文和代碼幫你講解透徹)，特別是對剛學習C語言的小伙伴來說，很容易就從根本上理解指針到底是什么、怎么用，這也讓我堅信一句話；用心寫出的文章，一定會被讀者感受到！在寫這篇文章的時候，我列了一個提綱，寫到后面的時候，發現已經超過一萬字了，但是提綱上還有最后一個主題沒有寫。如果繼續寫下去，文章體積就太大了，於是就留下了一個尾巴。

今天，我就把這個尾巴給補上去：主要是介紹指針在應用程序的編程中，經常使用的技巧。如果之前的那篇文章勉強算是“道”層面的話，那這篇文章就屬於“術”的層面。主要通過 8 個示例程序來展示在 C 語言應用程序中，關於指針使用的常見套路，希望能給你帶來收獲。

記得我在校園里學習C語言的時候，南師大的黃鳳良老師花了大半節課的時間給我們解釋指針，現在最清楚地記得老師說過的一句話就是：指針就是地址，地址就是指針！

二、八個示例

1. 開胃菜：修改主調函數中的數據

// 交換 2 個 int 型數據
void demo1_swap_data(int *a, int *b)
{
    int tmp = *a;
    *a = *b;
    *b = tmp;
}

void demo1()
{
    int i = 1;
    int j = 2;
    printf("before: i = %d, j = %d \n", i, j);
    demo1_swap_data(&i, &j);
    printf("after:  i = %d, j = %d \n", i, j);
}

這個代碼不用解釋了，大家一看就明白。如果再過多解釋的話，好像在侮辱智商。

2. 在被調用函數中，分配系統資源

代碼的目的是：在被調用函數中，從堆區分配 size 個字節的空間，返回給主調函數中的 pData 指針。

void demo2_malloc_heap_error(char *buf, int size)
{
    buf = (char *)malloc(size);
    printf("buf = 0x%x \n", buf);
}

void demo2_malloc_heap_ok(char **buf, int size)
{
    *buf = (char *)malloc(size);
    printf("*buf = 0x%x \n", *buf);
}

void demo2()
{
    int size = 1024;
    char *pData = NULL;

    // 錯誤用法
    demo2_malloc_heap_error(pData, size);
    printf("&pData = 0x%x, pData = 0x%x \n", &pData, pData);

    // 正確用法
    demo2_malloc_heap_ok(&pData, size);
    printf("&pData = 0x%x, pData = 0x%x \n", &pData, pData);
    free(pData);
}

2.1 錯誤用法

剛進入被調用函數 demo2_malloc_heap_error 的時候，形參 buff 是一個 char* 型指針，它的值等於 pData 變量的值，也就是說 buff 與 pData 的值相同(都為 NULL)，內存模型如圖：

在被調用函數中執行 malloc 語句之后，從堆區申請得到的地址空間賦值給 buf，就是說它就指向了這個新的地址空間，而 pData 里仍然是NULL，內存模型如下：

從圖中可以看到，pData 的內存中一直是 NULL，沒有指向任何堆空間。另外，由於形參 buf 是放在函數的棧區的，從被調函數中返回的時候，堆區這塊申請的空間就被泄漏了。

2.2 正確用法

剛進入被調用函數 demo2_malloc_heap_error 的時候，形參 buf 是一個 char* 型的二級指針，就是說 buf 里的值是另一個指針變量的地址，在這個示例中 buf 里的值就是 pData 這個指針變量的地址，內存模型如下：

在被調用函數中執行 malloc 語句之后，從堆區申請得到的地址空間賦值給 *buf，因為 buf = &pData，所以 *buf 就相當於是 pData，那么從堆區申請得到的地址空間就賦值 pData 變量，內存模型如下：

從被調函數中返回之后，pData 就正確的得到了一塊堆空間，別忘了使用之后要主動釋放。

3. 傳遞函數指針

從上篇文章中我們知道，函數名本身就代表一個地址，在這個地址中存儲着函數體中定義的一連串指令碼，只要給這個地址后面加上一個調用符(小括號)，就進入這個函數中執行。在實際程序中，函數名常常作為函數參數來進行傳遞。

熟悉C++的小伙伴都知道，在標准庫中對容器類型的數據進行各種算法操作時，可以傳入用戶自己的提供的算法函數(如果不傳入函數，標准庫就使用默認的)。

下面是一個示例代碼，對一個 int 行的數組進行排序，排序函數 demo3_handle_data 的最后一個參數是一個函數指針，因此需要傳入一個具體的排序算法函數。示例中有 2 個候選函數可以使用：

1. 降序排列: demo3_algorithm_decend；
2. 升序排列: demo3_algorithm_ascend;

typedef int BOOL;
#define FALSE 0
#define TRUE  1

BOOL demo3_algorithm_decend(int a, int b)
{
    return a > b;
}

BOOL demo3_algorithm_ascend(int a, int b)
{
    return a < b;
}

typedef BOOL (*Func)(int, int);
void demo3_handle_data(int *data, int size, Func pf)
{
    for (int i = 0; i < size - 1; ++i)
    {
        for (int j = 0; j < size - 1 - i; ++j)
        {
            // 調用傳入的排序函數
            if (pf(data[j], data[j+1]))
            {
                int tmp = data[j];
                data[j] = data[j + 1];
                data[j + 1] = tmp;
            }
        }
    }
}

void demo3()
{
    int a[5] = {5, 1, 9, 2, 6};
    int size = sizeof(a)/sizeof(int);
    // 調用排序函數，需要傳遞排序算法函數
    //demo3_handle_data(a, size, demo3_algorithm_decend); // 降序排列
    demo3_handle_data(a, size, demo3_algorithm_ascend);   // 升序排列
    for (int i = 0; i < size; ++i)
        printf("%d ", a[i]);
    printf("\n");
}

這個就不用畫圖了，函數指針 pf 就指向了傳入的那個函數地址，在排序的時候直接調用就可以了。

4. 指向結構體的指針

在嵌入式開發中，指向結構體的指針使用特別廣泛，這里以智能家居中的一條控制指令來舉例。在一個智能家居系統中，存在各種各樣的設備(插座、電燈、電動窗簾等)，每個設備的控制指令都是不一樣的，因此可以在每個設備的控制指令結構體中的最前面，放置所有指令都需要的、通用的成員變量，這些變量可以稱為指令頭(指令頭中包含一個代表命令類型的枚舉變量)。

當處理一條控制指令時，先用一個通用命令(指令頭)的指針來接收指令，然后根據命令類型枚舉變量來區分，把控制指令強制轉換成具體的那個設備的數據結構，這樣就可以獲取到控制指令中特定的控制數據了。

本質上，與 Java/C++ 中的接口、基類的概念類似。

// 指令類型枚舉
typedef enum _CMD_TYPE_ {
    CMD_TYPE_CONTROL_SWITCH = 1,
    CMD_TYPE_CONTROL_LAMP,
} CMD_TYPE;

// 通用的指令數據結構(指令頭)
typedef struct _CmdBase_ {
    CMD_TYPE cmdType; // 指令類型
    int deviceId;     // 設備 Id
} CmdBase;

typedef struct _CmdControlSwitch_ {
    // 前 2 個參數是指令頭
    CMD_TYPE cmdType;   
    int deviceId;
    
    // 下面都有這個指令私有的數據
    int slot;  // 排插上的哪個插口
    int state; // 0:斷開, 1:接通
} CmdControlSwitch;

typedef struct _CmdControlLamp_ {
    // 前 2 個參數是指令頭
    CMD_TYPE cmdType;
    int deviceId;
    
    // 下面都有這個指令私有的數據
    int color;      // 顏色
    int brightness; // 亮度
} CmdControlLamp;

// 參數是指令頭指針
void demo4_control_device(CmdBase *pcmd)
{
    // 根據指令頭中的命令類型，把指令強制轉換成具體設備的指令
    if (CMD_TYPE_CONTROL_SWITCH == pcmd->cmdType)
    {
        // 類型強制轉換
        CmdControlSwitch *cmd = pcmd;
        printf("control switch. slot = %d, state = %d \n", cmd->slot, cmd->state);
    }
    else if (CMD_TYPE_CONTROL_LAMP == pcmd->cmdType)
    {
        // 類型強制轉換
        CmdControlLamp * cmd = pcmd;
        printf("control lamp.   color = 0x%x, brightness = %d \n", cmd->color, cmd->brightness);
    }
}

void demo4()
{
    // 指令1：控制一個開關
    CmdControlSwitch cmd1 = {CMD_TYPE_CONTROL_SWITCH, 1, 3, 0};
    demo4_control_device(&cmd1);

    // 指令2：控制一個燈泡
    CmdControlLamp cmd2 = {CMD_TYPE_CONTROL_LAMP, 2, 0x112233, 90};
    demo4_control_device(&cmd2);
}

5. 函數指針數組

這個示例在上篇文章中演示過，為了完整性，這里再貼一下。

int add(int a, int b) { return a + b; }
int sub(int a, int b) { return a - b; }
int mul(int a, int b) { return a * b; }
int divide(int a, int b) { return a / b; }

void demo5()
{
    int a = 4, b = 2;
    int (*p[4])(int, int);
    p[0] = add;
    p[1] = sub;
    p[2] = mul;
    p[3] = divide;
    printf("%d + %d = %d \n", a, b, p[0](a, b));
    printf("%d - %d = %d \n", a, b, p[1](a, b));
    printf("%d * %d = %d \n", a, b, p[2](a, b));
    printf("%d / %d = %d \n", a, b, p[3](a, b));
}

6. 在結構體中使用柔性數組

先不解釋概念，我們先來看一個代碼示例：

// 一個結構體，成員變量 data 是指針
typedef struct _ArraryMemberStruct_NotGood_ {
    int num;
    char *data;
} ArraryMemberStruct_NotGood;

void demo6_not_good()
{
    // 打印結構體的內存大小
    int size = sizeof(ArraryMemberStruct_NotGood);
    printf("size = %d \n", size);

    // 分配一個結構體指針
    ArraryMemberStruct_NotGood *ams = (ArraryMemberStruct_NotGood *)malloc(size);
    ams->num = 1;

    // 為結構體中的 data 指針分配空間
    ams->data = (char *)malloc(1024);
    strcpy(ams->data, "hello");
    printf("ams->data = %s \n", ams->data);

    // 打印結構體指針、成員變量的地址
    printf("ams = 0x%x \n", ams);
    printf("ams->num  = 0x%x \n", &ams->num);
    printf("ams->data = 0x%x \n", ams->data);

    // 釋放空間
    free(ams->data);
    free(ams);
}

在我的電腦上，打印結果如下：

可以看到：該結構體一共有 8 個字節(int 型占 4 個字節，指針型占 4 個字節)。

結構體中的 data 成員是一個指針變量，需要單獨為它申請一塊空間才可以使用。而且在結構體使用之后，需要先釋放 data，然后釋放結構體指針 ams，順序不能錯。
這樣使用起來，是不是有點麻煩？

於是，C99 標准就定義了一個語法：flexible array member(柔性數組)，直接上代碼(下面的代碼如果編譯時遇到警告，請檢查下編譯器對這個語法的支持):

// 一個結構體，成員變量是未指明大小的數組
typedef struct _ArraryMemberStruct_Good_ {
    int num;
    char data[];
} ArraryMemberStruct_Good;

void demo6_good()
{
    // 打印結構體的大小
    int size = sizeof(ArraryMemberStruct_Good);
    printf("size = %d \n", size);

    // 為結構體指針分配空間
    ArraryMemberStruct_Good *ams = (ArraryMemberStruct_Good *)malloc(size + 1024);

    strcpy(ams->data, "hello");
    printf("ams->data = %s \n", ams->data);

    // 打印結構體指針、成員變量的地址
    printf("ams = 0x%x \n", ams);
    printf("ams->num  = 0x%x \n", &ams->num);
    printf("ams->data = 0x%x \n", ams->data);

    // 釋放空間
    free(ams);
}

打印結果如下：

與第一個例子中有下面幾個不同點：

1. 結構體的大小變成了 4；
2. 為結構體指針分配空間時，除了結構體本身的大小外，還申請了 data 需要的空間大小；
3. 不需要為 data 單獨分配空間了；
4. 釋放空間時，直接釋放結構體指針即可；

是不是用起來簡單多了？！這就是柔性數組的好處。

從語法上來說，柔性數組就是指結構體中最后一個元素個數未知的數組，也可以理解為長度為 0，那么就可以讓這個結構體稱為可變長的。

前面說過，數組名就代表一個地址，是一個不變的地址常量。在結構體中，數組名僅僅是一個符號而已，只代表一個偏移量，不會占用具體的空間。

另外，柔性數組可以是任意類型。這里示例大家多多體會，在很多通訊類的處理場景中，常常見到這種用法。

7. 通過指針來獲取結構體中成員變量的偏移量

這個標題讀起來似乎有點拗口，拆分一下：在一個結構體變量中，可以利用指針操作的技巧，獲取某個成員變量的地址、距離結構體變量的開始地址、之間的偏移量。

在 Linux 內核代碼中你可以看到很多地方都利用了這個技巧，代碼如下：

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &(((TYPE*)0)->MEMBER))

typedef struct _OffsetStruct_ {
    int a;
    int b;
    int c;
} OffsetStruct;

void demo7()
{
    OffsetStruct os;
    // 打印結構體變量、成員變量的地址
    printf("&os = 0x%x \n", &os);
    printf("&os->a = 0x%x \n", &os.a);
    printf("&os->b = 0x%x \n", &os.b);
    printf("&os->c = 0x%x \n", &os.c);
    printf("===== \n");
    // 打印成員變量地址，與結構體變量開始地址，之間的偏移量
    printf("offset: a = %d \n", (char *)&os.a - (char *)&os);
    printf("offset: b = %d \n", (char *)&os.b - (char *)&os);
    printf("offset: c = %d \n", (char *)&os.c - (char *)&os);
    printf("===== \n");
    // 通過指針的強制類型轉換來獲取偏移量
    printf("offset: a = %d \n", (size_t) &((OffsetStruct*)0)->a);
    printf("offset: b = %d \n", (size_t) &((OffsetStruct*)0)->b);
    printf("offset: c = %d \n", (size_t) &((OffsetStruct*)0)->c);
    printf("===== \n");
    // 利用宏定義來得到成員變量的偏移量
    printf("offset: a = %d \n", offsetof(OffsetStruct, a));
    printf("offset: b = %d \n", offsetof(OffsetStruct, b));
    printf("offset: c = %d \n", offsetof(OffsetStruct, c));
}

先來看打印結果：

前面 4 行的打印信息不需要解釋了，直接看下面這個內存模型即可理解。

下面這個語句也不需要多解釋，就是把兩個地址的值進行相減，得到距離結構體變量開始地址的偏移量，注意：需要把地址強轉成 char* 型之后，才可以相減。

printf("offset: a = %d \n", (char *)&os.a - (char *)&os);

下面這條語句需要好好理解：

printf("offset: a = %d \n", (size_t) &((OffsetStruct*)0)->a);

數字 0 看成是一個地址，也就是一個指針。上篇文章解釋過，指針就代表內存中的一塊空間，至於你把這塊空間里的數據看作是什么，這個隨便你，你只要告訴編譯器，編譯器就按照你的意思去操作這些數據。

現在我們把 0 這個地址里的數據看成是一個 OffsetStruct 結構體變量(通過強制轉換來告訴編譯器)，這樣就得到了一個 OffsetStruct 結構體指針(下圖中綠色橫線)，然后得到該指針變量中的成員變量 a(藍色橫線)，再然后通過取地址符 & 得到 a 的地址(橙色橫線)，最后把這個地址強轉成 size_t 類型(紅色橫線)。

因為這個結構體指針變量是從 0 地址開始的，因此，成員變量 a 的地址就是 a 距離結構體變量開始地址的偏移量。

上面的描述過程，如果感覺拗口，請結合下面這張圖再讀幾遍：

上面這張圖如果能看懂的話，那么最后一種通過宏定義獲取偏移量的打印語句也就明白了，無非就是把代碼抽象成宏定義了，方便調用：

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &(((TYPE*)0)->MEMBER))

printf("offset: a = %d \n", offsetof(OffsetStruct, a));

可能有小伙伴提出：獲取這個偏移量有什么用啊？那就請接着看下面的示例 8。

8. 通過結構體中成員變量的指針，來獲取該結構體的指針

標題同樣比較拗口，直接結合代碼來看：

typedef struct _OffsetStruct_ {
    int a;
    int b;
    int c;
} OffsetStruct;

假設有一個 OffsetStruct 結構體變量 os，我們只知道 os 中成員變量 c 的地址(指針)，那么我們想得到變量 os 的地址(指針)，應該怎么做？這就是標題所描述的目的。

下面代碼中的宏定義 container_of 同樣是來自於 Linux 內核中的(大家平常沒事時多挖掘，可以發現很多好東西)。

#define container_of(ptr, type, member) ({ \
     const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \
     (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})

void demo8()
{
    // 下面 3 行僅僅是演示 typeof 關鍵字的用法
    int n = 1;
    typeof(n) m = 2;  // 定義相同類型的變量m
    printf("n = %d, m = %d \n", n, m); 

    // 定義結構體變量，並初始化
    OffsetStruct os = {1, 2, 3};
    
    // 打印結構體變量的地址、成員變量的值(方便后面驗證)
    printf("&os = 0x%x \n", &os);
    printf("os.a = %d, os.b = %d, os.c = %d \n", os.a, os.b, os.c);

    printf("===== \n");
    
    // 假設只知道某個成員變量的地址
    int *pc = &os.c;
    OffsetStruct *p = NULL;
    
    // 根據成員變量的地址，得到結構體變量的地址
    p = container_of(pc, OffsetStruct, c);
    
    // 打印指針的地址、成員變量的值
    printf("p = 0x%x \n", p);
    printf("p->a = %d, p->b = %d, p->c = %d \n", p->a, p->b, p->c);
}

先看打印結果：

首先要清楚宏定義中參數的類型：

1. ptr: 成員變量的指針；
2. type: 結構體類型；
3. member：成員變量的名稱；

這里的重點就是理解宏定義 container_of，結合下面這張圖，把宏定義拆開來進行描述：

宏定義中的第 1 條語句分析:

1. 綠色橫線：把數字 0 看成是一個指針，強轉成結構體 type 類型；
2. 藍色橫線：獲取該結構體指針中的成員變量 member;
3. 橙色橫線：利用 typeof 關鍵字，獲取該 member 的類型，然后定義這個類型的一個指針變量 __mptr；
4. 紅色橫線：把宏參數 ptr 賦值給 __mptr 變量；

宏定義中的第 2 條語句分析：

5. 綠色橫線：利用 demo7 中的 offset 宏定義，得到成員變量 member 距離結構體變量開始地址的偏移量，而這個成員變量指針剛才已經知道了，就是 __mptr;
6. 藍色橫線：把 __mptr 這個地址，減去它自己距離結構體變量開始地址的偏移量，就得到了該結構體變量的開始地址；
7. 橙色橫線：最后把這個指針(此時是 char* 型)，強轉成結構體 type 類型的指針；

三、總結

上面這 8 個關於指針的用法掌握之后，再去處理子字符、數組、鏈表等數據，基本上就是熟練度和工作量的問題了。
希望大家都能用好指針這個神器，提高程序程序執行效率。

面對代碼，永無bug；面對生活，春暖花開！祝您好運！

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【原創聲明】

作者：道哥(公眾號: IOT物聯網小鎮)
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