指针出事

第 18 课，共 30 课 · 第 3 部分 · 指针 · 约 15 分钟

指针好不好用，全看它里面的地址对不对。地址错了，C 不会拦你：程序照样去读、去写那个错的地方，可能马上崩溃，可能过很久才出怪事，也可能一直看不出来。这是 C 里最难查的一类错。这一课讲最常见的四种。每个出错的例子都会停在出事的那一行：点「看看是怎么出错的」，回放一遍是怎么走到这一步的。

错	指针里存的是
野指针	一个乱的地址：从来没赋过值
空指针	`NULL`：什么也不指
越界	数组末尾后面的地址
悬空指针	一个已经不在了的变量的地址

野指针

第 15 课见过没赋值的指针。真的程序里，它通常是这样出现的：只有某种情况才给指针赋值，而这种情况一次也没发生。

main.c

1#include <stdio.h>2 3int main(void) {4    int prices[4] = {12, 30, 7, 18};5    int *cheap;6    for (int i = 0; i < 4; i++) {7        if (prices[i] < 5) {8            cheap = &prices[i];9        }10    }11    printf("5 元以下：%d\n", *cheap);12    return 0;13}

输出

use of uninitialized value

发生了什么： 停在第 11 行：「cheap」还没有赋值就被用了。真 C 里这会是一个乱数（每次运行都可能不一样）。

没有哪个价格低于 5，第 8 行一次也没跑，到第 11 行 cheap 里还是乱的。我们的引擎停在这里。点单步，一圈一圈看 cheap：它始终没有箭头。

办法是每个指针一声明就给它一个值。这里写 int *cheap = NULL;，用之前再检查一下，就像下一节那样。

空指针

NULL 是老老实实地说「没有地址」。找东西的函数，找不到时常常返回 NULL。下面这个函数找到了就返回那个元素的地址：

main.c

1#include <stdio.h>2 3int *find(int *codes, int count, int target) {4    for (int i = 0; i < count; i++) {5        if (codes[i] == target) {6            return &codes[i];7        }8    }9    return NULL;10}11 12int main(void) {13    int codes[4] = {101, 205, 310, 422};14    int *p = find(codes, 4, 999);15    printf("找到：%d\n", *p);16    return 0;17}

输出

load of null pointer

发生了什么： 停在第 15 行：这个指针是 NULL（空指针），不能通过它读写。

没有 999，所以 p 是 NULL，第 15 行的 *p 顺着它什么也找不到。在真的电脑上，程序一般当场崩溃（「segmentation fault」，段错误）。不过空指针比野指针好得多：它能检查出来。

main.c

1#include <stdio.h>2 3int *find(int *codes, int count, int target) {4    for (int i = 0; i < count; i++) {5        if (codes[i] == target) {6            return &codes[i];7        }8    }9    return NULL;10}11 12int main(void) {13    int codes[4] = {101, 205, 310, 422};14    int *p = find(codes, 4, 999);15    if (p == NULL) {16        printf("没找到\n");17    } else {18        printf("找到：%d\n", *p);19    }20    return 0;21}

输出

没找到

走出数组

指针走数组，也会像下标一样走过头（第 11 课）。最常见的原因是该写 < 的地方写了 <=：

main.c

1#include <stdio.h>2 3int main(void) {4    int temps[5] = {21, 23, 19, 25, 22};5    int total = 0;6    for (int *p = temps; p <= temps + 5; p++) {7        total += *p;8    }9    printf("总和：%d\n", total);10    return 0;11}

输出

stack-buffer-overflow

发生了什么： 停在第 7 行：越过了「temps」的末尾（越界了）。

temps + 5 是紧跟在最后一个元素后面的位置。指针停在那里是允许的，循环才能拿它来比；但在那里读 *p 不行。点单步，看箭头一格一格往后挪，最后指到最后一格的外面，引擎就停在那里。改成 p < temps + 5。

指向已经不在的变量

函数的局部变量放在它的栈帧里，函数一返回，栈帧就没了（第 8 课）。指向其中一个变量的指针，就指着一片空：它悬空了。

main.c

1#include <stdio.h>2 3int *make_total(int a, int b) {4    int total = a + b;5    int *q = &total;6    return q;7}8 9int main(void) {10    int *p = make_total(3, 4);11    printf("%d\n", *p);12    return 0;13}

输出

stack-use-after-return

发生了什么： 停在第 11 行：这是一个已经返回了的函数里的局部变量「total」，它已经不在了。

地址是经过 q 交出去的，gcc 连警告都没有（直接写 return &total;，它才会警告）。点单步：p 的箭头先指进 make_total 的框里，接着这个框没了，箭头那头什么也不剩。到第 11 行 *p 顺着它找过去，引擎就停在这里。点「看看是怎么出错的」回放一遍。

这个函数只要交回一个数，那就直接返回这个值：

main.c

1#include <stdio.h>2 3int make_total(int a, int b) {4    int total = a + b;5    return total;6}7 8int main(void) {9    int t = make_total(3, 4);10    printf("%d\n", t);11    return 0;12}

输出

值在栈帧消失之前就复制出来了。如果函数确实要交回一个地址，那这个地址指的东西必须比这次调用活得久：调用它的那个函数的变量、static 变量（第 9 课），或者堆上的内存（第 20 课）。

先猜一猜

larger 返回一个指针。会怎样？

1#include <stdio.h>2 3int *larger(int *a, int *b) {4    if (*a > *b) {5        return a;6    }7    return b;8}9 10int main(void) {11    int x = 3;12    int y = 9;13    int *big = larger(&x, &y);14    *big = 0;15    printf("%d %d\n", x, y);16    return 0;17}

a 和 b 指的是 main 的 x 和 y，larger 返回以后它们还在。所以 big 指着 y，*big = 0 把 y 改成 0。只有函数自己的局部变量的地址才会悬空。

输出

const：只读不改

在类型前面加 const，这个指针就只能用来读：const int *a 的意思是「不能通过 a 改那个 int」。只读数组的函数正适合这样写。万一不小心写了，编译器会拦住：

main.c

1#include <stdio.h>2 3double average(const int *a, int count) {4    int total = 0;5    for (int i = 0; i < count; i++) {6        total += a[i];7    }8    a[0] = 0;9    return (double)total / count;10}11 12int main(void) {13    int scores[4] = {80, 90, 75, 85};14    printf("%.2f\n", average(scores, 4));15    return 0;16}

输出

main.c: In function 'average':
main.c:8:10: error: assignment of read-only location '*a'
    8 |     a[0] = 0;
      |          ^

assignment of read-only location 说的就是通过 const 指针写东西。删掉第 8 行就能运行。const 还告诉调用 average 的人：你的数组不会被动。

好习惯

每个指针一声明就给它一个值：一个地址，或者 NULL。
指针可能是 NULL 的时候，用之前先检查。
走数组用 <，不用 <=；数组和它的个数一起传。
不要返回局部变量的地址。
函数只通过指针参数读东西，就给它加上 const。

练一练

写好代码，点检查。提示随便看，实在想不出来再看答案。

练习 1

没找到

第二次找什么也没找到，程序停在空指针上。加一个检查，这时显示 没找到。程序要先显示 找到：310，再显示 没找到。

要显示

找到：310
没找到

exercise1.c

1#include <stdio.h>2 3int *find(int *codes, int count, int target) {4    for (int i = 0; i < count; i++) {5        if (codes[i] == target) {6            return &codes[i];7        }8    }9    return NULL;10}11 12void report(int *p) {13    printf("找到：%d\n", *p);14}15 16int main(void) {17    int codes[4] = {101, 205, 310, 422};18    report(find(codes, 4, 310));19    report(find(codes, 4, 999));20    return 0;21}

输出

点「运行」或按 Ctrl+Enter

练习 2

返回值本身

average 返回了自己局部变量的地址，这个指针会悬空。改成直接返回那个 double，main 也跟着改。程序要显示 平均：7.50。

要显示

平均：7.50

exercise2.c

1#include <stdio.h>2 3double *average(int a, int b) {4    double result = (a + b) / 2.0;5    double *p = &result;6    return p;7}8 9int main(void) {10    double *avg = average(6, 9);11    printf("平均：%.2f\n", *avg);12    return 0;13}

输出

点「运行」或按 Ctrl+Enter

练习 3

多走了一步

这个循环读到了 prices 的外面，引擎会停下来。改好它，让它显示四个价格，每个一行。

要显示

exercise3.c

1#include <stdio.h>2 3int main(void) {4    int prices[4] = {12, 30, 7, 18};5    for (int *p = prices; p <= prices + 4; p++) {6        printf("%d\n", *p);7    }8    return 0;9}

输出

点「运行」或按 Ctrl+Enter

这一课学会了

野指针是从来没赋过值的指针：每个指针一声明就给它一个地址或者 NULL。
顺着 NULL 找过去，真的程序会崩溃；可能是 NULL 的时候，先检查 p == NULL。
指针可以停在数组末尾紧后面的位置，但在那里读就是越界：循环用 <。
返回局部变量的地址会留下悬空指针：栈帧已经没了。改成返回值本身。
const int *p 能通过 p 读，不能写；只读的参数就这样写。
在我们的引擎里，这些错都会停在出事的那一行，「看看是怎么出错的」能回放经过。