C语言中的指针教学探索

摘要：指针在C语言中具有重要的地位，也是初学者最不容易掌握的内容。本文首先介绍了计算机的存储机制，在此基础上介绍了指针的概念，并给出了几个典型的指针应用的例子，说明了指针的方法。

关键词：C语言；指针；教学探索

中图分类号：G642.0 ？摇文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）06-0233-03

指针在C语言中具有重要的地位，也是C语言教学中学生最难掌握的内容，一个学生是否学会了C语言，从他是否掌握了指针就可以大体上做出评判。本文重点探讨一下C语言在指针教学中的要点和体会。

一、计算机的存贮机制

在教学中我们发现，一些学习过计算机原理、汇编的同学，对指针的概念比较容易理解，掌握的也比较快，即便遇到一些比较复杂的指针关系，也往往能够通过自己的思考，给出正确的解释。究其原因，就是因为这些同学对计算机的存储机制比较了解，可以将指针与存储对应起来。为此，我们先简要介绍一下计算机的存储机制。在计算机中，数据以二进制的形式存储在内存中，内存的基本单位是字节，一个字节由8位二进制组成，一个数可以由一个字节表示，也可以由多个字节组合在一起表示，与具体的数值类型有关。比如，一般来说一个字符用一个字节表示就可以了，而一个整数则一般由多个字节表示，比如2个字节或4个字节等。具体由几个字节表示，与具体的C语言编译器有关。为了叙述方便，在以下的讨论中我们假定字符是一个字节，而整数是两个字节。

内存中每个字节都有一个编号，通常称为该字节的地址，用于指定该字节。就好比我们通常用号码对宾馆的房间进行编号一样。地址的长度也是与编译器有关的，在这里我们假定地址的长度为4个字节。图1给出了一个内存存储的示意图。同样为了叙述方便，无论是地址还是数据我们都使用的是十进制或者直接使用字符，而实际上应该是二进制的。在图1中，左边的表示地址，右边的表示存储的内容。在1000～1001这两个地址中，存储的分别是字符a、b，每个各种一个字节。1002和1004开始的两个字节，存储的分别是123和456两个整数。2010、2014和2018开始的4个字节，分别存储了1003、1000和2010，其含义我们在后面再介绍。在C语言中，一个变量是与一个地址所对应的，比如，如果定义了变量：int n，m；则编译器会自动为n、m分别分配一个地址，变量n、m的值就分别存储在它们所对应的地址中。

二、指针的基本概念

什么是指针？简单地说指针就是其值为地址的变量。一个指针变量的值是某个地址，该变量所指向的内容，则是该地址中所存储的内容。如同整型变量一样，指针变量也是一个变量，只不过整型变量的值是整数，而指针变量的值是一个指针，也就是说是一个地址，通过该地址可以找到指针所指向的内容。下面讨论中，指针变量我们简称为指针。我们先通过一个类比的例子来说明指针的概念。假设某宾馆有101、102……等房间，这些房间中，有些是住人的，比如101房间住的是张三，102房间住的是李四，则可以认为101房间的值是张三，102房间的值是李四。这个宾馆有些奇怪，除了住人的房间外，还有一些房间并不住人，里面只是有一个牌子，上面写着某个房间号。比如说，105这个房间，里面的牌子上写着102。那么105房间就可以认为对应一个指针变量，其值是一个地址102，该指针所指向的值，就是102房间的李四。这里要区分出指针自己的值以及指针所指向的值。在该例子中，105房间（指针）自己的值是102，其指向的值是李四。结合图1的例子，我们假设有以下定义：int *p1；char *p2；假设编译器为p1、p2分别分配的地址是图1中的2010和2014，则p1的值是1002，是一个地址，而p1所指向的内容，即*p1的值为地址1002中所存储的内容，即整数123。同样，p2的值是1000，也是一个地址，p2所指向的内容，即*p2的值为字符a。有了以上指针的基本概念后，再复杂的指针，也可以一步推导出具体的含义。比如如下的指针的指针的定义：int **p；还是假定编译器为p分配的地址是图1中的2018。则p的值是2010，是一个地址。P所指向的内容，也就是*p的值是地址2010中的内容1002，还是一个地址。P所指向的内容的内容，即**p就是存贮在1002中的整数123。C语言中，操作符“&”可以得到一个变量的地址，比如：int n，*p；就可以通过p=&n得到变量n的地址，并赋值给指针p。

三、指针的应用

在C语言中，指针的应用比较多，有些情况是用指针会比较方便，有些情况是必须用指针。下面给出几个有关指针使用的例子。

1.交换两个变量的数据，编写一个函数，实现两个变量数据的交换，初学者很可能给出这样的定义：

void swap（int a，int b）

{

int t=a；

a=b；

b=t；

}

当为了交换两个变量的数值时，则这样调用：

main（）

{

int x=10，y=20；

printf（“%d %d/n”，x，y）；

swap（x，y）；

printf（“%d %d/n”，x，y）；

}

但是，当你运行该程序时，却惊奇的发现结果并不正确。这是为什么呢？这与C语言中参数的传递机制有关。在调用swap函数时，x、y的值传递给了参数a、b，在函数内部交换的实际上是a、b的值，而不是x、y的值。那么如何解决这个问题呢？在C语言中就需要用到指针了。正确的swap函数的定义及调用如下：

void swap（int *a，int *b）

{

int t=*a；

*a=*b；

*b=t；

}

main（）

{

int x=10，y=20；

printf（“%d %d/n”，x，y）；

swap（&x，&y）；

printf（“%d %d/n”，x，y）；

}

这样为什么就是正确的呢？因为通过取地址操作&分别得到了x、y的地址，在函数调用时，作为参数x、y的地址传递给了a、b，在swap内部，交换的是a、b所指向的内容，而a、b所指向的内容，实际上就是x、y的值，从而达到了交换x、y值的目的。假设x、y的地址分别是1000和1002，而在调用swap时，分配给a、b的地址分别是2000和2004。由于x、y均为整数，这里假定整数占用两个字节；而a、b均为指针，假定占用4个字节，如图2所示。通过取地址操作分别得到x、y的地址1000和1002，并作为参数传递给了a和b，在swap内部交换a、b所指向的内容，实际上交换的就是内存地址1000和1002的内容，也就是x和y的内容。所以，通过指针操作，达到了交换x、y的值的目的。

2.链表。链表的功能与数组有些类似，但是链表的长度不固定，可以根据需要动态的调整，可长可短。而且链表最大的好处是插入、删除比较方便。比如说，用链表记录某一门课的成绩，选修的学生人数少的可能有十几人，多的可能有几百人。如果用数组，则可能需要定义一个最大值，无论学生多少，都需要定义这么大的数组。而如果用链表的话，则可以根据学生的多少，动态的变化。再比如，如果某个学生中途退选了这门课程，需要删除该学生的有关信息，如果是数组的话，特别是当需要删除的学生排在第一位时，则需要在数组中移动所有学生的信息。而链表，则可以比较容易地删除一个学生的信息。插入一个学生信息也是如此。特别当这种插入、删除操作频繁发生时，使用链表的效率就会比较高。所谓的链表，就是一些通过指针链接在一起的数据单元。一个数据单元由两部分组成，一部分为数据域，用于存放与该数据单元有关的数据，一部分为指针域，用于存放链表的下一个单元的地址。链表的示意图如图3所示。

其中Di表示数据，数据不一定是一个，可能是一组相关联的数据。链表最后一个单元的指针是空指针NULL，表示链表结束，这里用“^”表示。在C语言中，链表的单元可以用结构定义。比如，我们要实现一个记录某个课程成绩的链表，一个单元记录一个学生的信息，包括学号、姓名、成绩等。则该单元可以定义如下：

struct NODE

{

？摇int number；

？摇double grade；

？摇struct NODE *next；

}；

这里用nunber表示学号，grade表示成绩，next是指向下一个单元的指针。那么如何建立一个链表呢？可以通过每次向一个链表插入一个单元的办法建立一个链表。要插入一个单元，首先要为一个单元分配一个空间，这可以通过C语言的函数malloc来实现，其输入参数是单元的大小，其返回值是指向该单元的指针。比如本例中，以下调用就为一个单元分配了空间，并在p中得到了指向该单元的指针：

strunct NODE *p；p=malloc（sizeof（struct NODE））；假设list是指向学生成绩链表的指针，如果向该链表插入一个单元，其实很简单，只要令该单元的next等于list，然后再将list指向该单元就可以了。下面给出向学生成绩链表中插入一个单元的函数，其中输入参数分别是指向成绩链表的指针、学号、姓名和成绩，返回值是指向插入了一个单元后的成绩链表的指针。这里假定开始时，成绩链表为空，即list的值为NULL。

struct NODE *insert（struct NODE *list，int number，double grade）

{

？摇struct NODE *p；

？摇p = malloc（sizeof（struct NODE））；

？摇p->number = number；

？摇p->grade = grade；

？摇p->next = list；

？摇return p；

}

比如从键盘输入学生学号和成绩建立成绩链表，当学号为0时表示输入结束，则程序如下：

struct NODE *list = NULL； //初始的成绩链表为一个空表

mail（）

{

？摇int number = 1；

？摇double grade；

？摇while （1）

？摇{

？摇？摇printf（“请输入学号、成绩：”）；

？摇？摇scanf（“%d %f”， &number， &grade）；

？摇？摇if （number == 0） break；

？摇？摇list = insert（list， number， grade）；？摇}

}

为了输出成绩单，可以用以下的函数实现，其原理就是先输出成绩链表的第一个同学的成绩，然后再通过指针找到下一个同学，以此类推，直到下一个同学为NULL为止。该函数的输入参数为指向成绩链表的指针。

Printlist（strunct NODE *list）

{

while （list）

？摇{

？摇？摇printf（“学号：%d 成绩：%f＼n”，list->number， list->grade）；

？摇？摇list = list->next；？摇}

}

3.树结构。树结构简称为树，比如当表示一个家族关系时，就需要用到树结构。树结构也可以用指针实现。比如某家族情况如下：

A为祖父，B是他的妻子，C、D、E是他们的孩子，其中C、D为男孩，E为女孩，F是C的妻子，G、H是C的孩子。如何表示这样的一种结构呢？我们可以设计这样的一种结构：

struct TREE

{

char xingming[10]；

strunct TREE *peiou；//指向配偶

strunct TREE *xiongmei；//指向自己的一个兄弟姐妹

strunct TREE *haizi；//指向自己的孩子链表

strunct TREE *fuqin；//指向自己的父亲

}

这里，配偶、父亲都是唯一的，用指针指向他们就可以了。由于一个人的兄弟姐妹人数是不确定的，有的人多有的人少，所以兄弟姐妹之间用上节介绍的链表表示，也就是说，同属于一个父亲的兄弟姐妹之间，形成一个链表。父亲的haizi（孩子）指针，指向该链表的第一个单元，通过该指针，就可以得到一个人的所有的孩子。示意图如下：

而这里的父亲、妻子、孩子等，也都与张三具有同样的结构，比如“妻子”，也有指向她父亲的指针，她的配偶指针则指向张三，而她的孩子指针，也同张三一样，指向孩子链表。有了这样的结构和链接关系，就可以很方便地从家族树中提取出想要的关系。假设p是指向张三这个结构的指针，则有：输出张三的父亲：printf（“%s”，p->fuqin->xingming）；输出张三的母亲，由于这里并没有直接的“母亲”信息，可以通过父亲的配偶关系得到：Printf（“%s”，p->fuqin->peiou->xingming；当然，也可以在结构中增加一个muqin指针，直接指向自己的母亲，这完全根据实际需要设计。比如，如果频繁的查找某些人母亲信息，则可以考虑添加一个muqin指针，以提高效率。输出张三的所有孩子：q=p->haizi；

while （q）

{

？摇printf（“%s “，q->xingming）；

？摇q=q->xiongmei；}

在C语言中，指针是比较重要的概念，也是学生在学习过程中难于理解且遇到的比较多的问题。通过在C语言教学过程中的实践，整理了一些针对指针教学的问题，通过这些问题的讲解和分析，学生往往会加深对指针的理解，希望对有关C语言的教与学能起到一定的帮助。

参考文献：

[1]薛胜军.计算机组成原理[M].武汉：华中科技大学出版社，2000.

[2]王诚，刘卫东，宋佳兴.计算机组成与设计[M].3版.北京：清华大学出版社，2008.

[3]严蔚敏，吴伟民.数据结构（C语言版）[M].北京：清华大学出版社，2006.

[4]谭浩强.C程序设计M].北京：清华大学出版社，2006.

[5]David J.Kruglinski.Visual.C++技术内幕[M].4版.北京：清华大学出版社，2001.

[6]H.M.Deitel，P.J.Deitel.C程序设计教程[M].北京：机械工业出版社，2001.

[7]黄宇.C语言教学中几个常见的问题[J].计算机教育，2009，（10）.