求求你，不要再纠结指针了(1) ——万能转化公式

作者：GorgonMeducer 傻孩子
首发：裸机思维

1、从变量的三要素开始谈起

　　为了把复杂的事情说简单，我们抛开指针先从变量谈起。（好吧，不知道这个笑话是不是够冷）一个变量（Variable），或者顺便兼容下面向对象（ＯＯ）的概念，我们统一称为对象（Object），除了保存于其中的内容以外，只有三个要素：

由一定宽度无符号整数（Unsigned Integer）所表示的地址“数值”（Address Value）
对象的大小（Size）和对齐
可对该对象适用的“方法”（Method）和“运算”（Operation）

其中，我们习惯于把后两者合并在一起称之为，变量的"类型"。

\> 地址数值（Address Value）

　　地址的数值是一个无符号整数，其位宽由CPU的地址总线宽度所决定。话虽如此，其实主要还是编译器在权衡了“用户编写代码的便利性”以及“生成机器码的效率”后为我们提供的解决方案：例如，针对8位机，编译器普遍以等效为uint16\_t的整数来保存地址信息；针对16位机和32位机，编译器则普遍选择uint32\_t的整数来保存地址信息；针对64位机，编译器则可能会提供两种指针类型，分别用来对应uint32\_t的4G地址空间和由uint64\_t所代表的恐怖地址空间……

　　提问，8086有20根地址线，请问用哪种整形来表示其地址呢？（uint16\_t、uint32\_t还是uint20\_t）——由于uint20\_t并不存在，也并不适合CPU进行地址运算，所以统一用uint32\_t来表示最为方便。

　　总而言之，地址的数值是一个无符号整数。知道这个有什么用呢？我们待一会再说。这里我们需要强调一句废话：地址的数值既然是整数，那么它就可以用另外的变量（类型合适的整形变量或者指针变量）进行保存——任何指针变量，其本质，首先是一个无符号整形变量。任何指针常量，其本质首先是一个无符号整数。

　　请一定要记住（重要的事情说三遍）：

　　变量的三要素中，仅有地址值有可能会占用物理存储空间。

\> 大小（Size）和对齐

　　如果仅从变量的大小来看整个计算机世界，就好像一副彩色图片被二值化了，到处是Memory Block，他们的尺寸通常是1个字节、2个字节、4个字节、8个字节、16个字节或者由他们组合而成的长度各异Block。这些Block通常被编译器在代码生成的时候对其到地址的宽度上，比如地址宽度是32bit的，就对齐到4字节，地址宽度是16bit的，就对齐到2字节……

　　如果你习惯于使用汇编语言来进行开发，你一定能体会我所描述的这种感觉。这些你统统都可以忘记，但有一点绝对要记住（重要的事情说三遍）：

　　变量的三要素中，大小值从不会额外占用物理存储空间。

注意：地址的大小信息描述的是这个变量占用几个字节，这里说大小信息并不占用物理存储器空间，并不是说，变量中保存的内容不占用存储器空间。请注意区别。

　　C语言中，可以用sizeof( )来获取一个变量的大小。前面我们说过，指针首先是一个整形变量，那么容易知道：


uint8_t *pchObj;
uint16_t *phwObj;
uint32_t *pwObj;

sizeof(pchObj) 、sizeof(phwObj)、sizeof(pwObj)以及sizeof任意其它指针的结果都是一样的，都是当前系统保存地址数值的整形变量的宽度。对32位机来说，这个数值就是4——因为，sizeof( ) 求的是括号内变量的宽度，而指针变量首先是一个整形变量！同一CPU中同一寻址能力的指针，其宽度是一样一样一样的！

一个类型的大小信息除了描述一个变量所占用的存储器尺寸以外，还隐含了该变量的对齐信息。从结论来说，32位处理器架构下：

对普通的变量类型来说，编译器“倾向于”将小于等于64Bit的数据类型自动对齐到与其大小相同的整数倍上；比如2字节大小的变量会被对齐到2的整数倍地址上，4字节大小的变量会被对齐到4的整数倍地址上，以此类推。详情参考文章《漫谈C变量——对齐（1）》
对结构体和共用体来说，它会以所有成员中最大的那个对齐作为自己的对齐值。比如，下面的结构体就是对齐到4的整倍数，因为结构体内最大的对齐类型来自于一个指针（pTarget），而指针在32位系统下是4字节，因此整个结构体的对齐就是4：


struct example_t {
    uint8_t chID;             //!< 对其到1字节
    uint16_t hwCMDList[4];    //!< 对齐到2字节
    void *pTarget;            //!< 对齐到4字节
};                            //!< 整个结构体对齐到4字节

\> 适用的方法（Method）和运算（Operation）

　　对面向对象中的对象来说，方法就是该对象类中描述的各种成员函数（Method）；

　　对数据结构中的各类抽象数据类型（ADT，Abstract Data Type）来说，就是各类针对该数据类型的操作函数，比如链表的添加（Add）、插入（Insert）、删除（Delete）、和查找（Search）操作；比如队列对象的入队（enqueue）、出队（Dequeue）函数；比如栈对象的入栈（PUSH）、出栈（POP）等等……

　　对普通数值类的变量来说，就是所适用的各类运算，比如针对 int的四则运算（+、-、*、/、>、<、==、!=...）。你不能对float型的数据进行移位操作，为什么呢？因为不同的类型拥有不同的适用方法和运算。

　　也许你已经猜到了，类型所适用的方法和运算也不会占用物理存储空间。由于变量的“大小信息”和“适用的方法和运算信息”统称为“类型（Type）信息”，我们可以简化为：

　　变量的三要素中，类型信息从不会额外占用物理存储空间。

2、化繁为简的威力

　　前面说了那么多，实际上可以简化为下面的等式：

　　Variable = Address Value + Type Info

　　变量 = 地址数值 + 类型信息

　　其中，地址数值的保存、表达和运算是（有可能）实实在在需要占用物理存储器空间的（RAM和ROM）；而类型信息则是编译器专用的——仅仅在编译时刻会用到，用来为编译器语法检测和生成代码提供信息的——话句话说，你只需要知道，类型信息是一个逻辑上的信息，是虚的，在最终生成的程序中并不占用任何存储器空间。你也可以理解为，类型信息最终以程序行为的方式体现在代码中，而并不占用任何额外的数据存储器空间。

　　既然知道了变量的本质，我们就可以随心所欲了，比如，我们可以随意创建一个全局变量：

#define s_wMyVariable    (* (( uint32_t *) 0x12345678))

　　s\_wMyVariable是一个 uint32\_t类型的全局变量，它的地址是0x12345678。它和我们通过普通方式生成的全局变量使用起来没有任何区别——当然，它是个黑户，简单说就是它所占用的空间是非法的，无证的，在编译器的户口本看来，这块空地上什么都没有，因此它仍然会将0x12345678开始的4个字节用作其它目的。

　　一方面，是不是突然觉得手上拥有了神一般的权利？其实，这种方法非常常用，MCU的寄存器就是这么定义的，例如：


#define CONTROL      (*(volatile uint32_t *) CONTROL_BASE_ADDR)

我们可以将上述定义全局变量的方法提炼成所谓的全局变量公式：

#define <全局变量的名称>  (*(<全局变量的类型> *)<全局变量的地址>)

甚至，我们干脆定义一个宏来替我们批量生产全局变量：

#define __VAR(__TYPE, __ADDR)     (*(__TYPE *) (__ADDR))

使用起来也很方便，例如：

__VAR(  float, 0x20004000  ) = 3.1415926；

　　总结来说：只要给我一个整数，我就可以把它变成任何类型的全局变量！你可以的！我看好你哦。

3、万能类型转换

只要你牢记了那句话：给我一个整数，我就能翘起地球，那么我们就可以用它玩出更好玩的东西。

首先，整数从何而来呢？除了前面的直接使用常数以外，当然还可以从整形变量中来，例如，前面的例子可以简单的改写成：


uint32_t wTemp = 0x20004000;
__VAR(  float, wTemp  ) = 3.1415926;

毫无压力！整数还可以从指针中来，例如：


//!我们定义一个全局变量 wDemo，其地址是0x20004000
#define wDemo    (*(uint32_t *) 0x20004000   )
uint32_t *pwSrc = &wDemo;                //!< 获取wDemo的地址
//!< 获取指针保存的地址数值，并用普通整形变量保存下来
uint32_t wTemp = (uint32_t) pwSrc;    
__VAR(  float, wTemp  ) = 3.1415926;

是不是觉得wTemp有点多余？因此我们可以直接写成：


//!我们定义一个全局变量 wDemo，其地址是0x20004000
#define wDemo    (*(uint32_t *) 0x20004000   )
uint32_t *pwSrc = &wDemo;                //!< 获取wDemo的地址
__VAR(  float, (uint32_t) pwSrc  ) = 3.1415926;

是不是pwSrc也多余了？好，我们继续来：


//!我们定义一个全局变量 wDemo，其地址是0x20004000
#define wDemo    (*(uint32_t *) 0x20004000   )
__VAR(  float, (uint32_t)  &wDemo  ) = 3.1415926;

当然，如果这个时候你说直接填0x20004000不就行了，要么你已经懂了，要么你还糊涂着，仔细想想：

如果wDemo是任意由编译器生成的对象（变量），意味着什么呢？（前面说过，作为全局变量，我们土法制造的和compiler原装的用起来没有任何区别）
如果我们有任意的指针，我们需要对指针指向的类型进行转换（转换后才好操作），应该怎么办？

接下来，我们很容易根据前面的讨论，得出第二个万能公式，可以将任意变量（或地址）转换成我们想要的类型：

#define CONVERT(  __ADDR,   __TYPE )            \
    __VAR(  (__TYPE),  (uint32_t) (__ADDR)  )

例如，我们可以直接将字节数组中某一段内容截取出来，当做某种类型的变量来访问：


//! 某数据帧解析函数
void command_handler(  uint8_t *pchStream, uint16_t hwLength  )
{
    // offset 0, uint16_t  
    uint16_t hwID = CONVERT( pchStream, uint16_t);  
    // offset 4, float
    float fReceivedValue = CONVERT( &pchStream[ 4 ], float ) ;
    ...
}

3、请忘记指针

如果你是一个指针苦手，那么请忘记之前所学的一切。记住一句话：指针只是一个用法怪异的整形变量，专门用来保存变量的地址数值。指针的类型都是用来欺骗编译器的，我是聪明的人类，我操纵类型，我不是愚蠢的编译器。

推论：因为指针变量的本质是整形变量，所以指向指针的指针，只不过是一个指向普通整形变量的普通指针，因此指向指针的指针并不存在——世界上只存在普通指针——世界上只存在用法怪异的整形变量，专门用来保存目标变量的地址数值。

推论：世界上并不存在指向指针的指针的指针的指针……

给我一个整数，我自己造自己的变量。

　　指针的数值运算太坑？转换成整数，加减乘除，随便整。

4、小结**

地址：**所谓地址就是一个整形的数值（常数）。地址不包含任何类型信息

指针：**指针分为指针常量和指针变量，单独说指针的时候，通常指指针常量。其中：

指针常量 = 地址数值（常数）+ 类型信息**

指针变量 = 整形变量 + 类型信息**

变量 = (* 指针)

指针 = &变量**

类型信息可以通过强制类型转换来实现，也就是大家熟悉的 (<Type>) 用法。地址数值的改变，则统一转化为普通整数以后再说。

指针常量 = 整数常量 + 类型信息

也就是：

指针常量 = (<类型信息> *)整数常量

反过来也成立：

整数常数 = 指针常量 - 类型信息

也就是：

整数常数 = (unsigned int)指针常量

同理，可以获得整形变量和指针之间的转换关系，这里就不一一列举了。

怎么样，事情是不是变得简单了？哪有什么指针，哪有那么多麻烦事情？统统都是整数。下回我们将一起来捅一个马蜂窝。哈哈哈哈哈

【后记】

说在后面的话：

　　其实，每次看到一群人热热闹闹的谈论指针，我心里真实的想法是：这么简单的事情被你们搞这么复杂——把复杂的事情变简单，把简单的事情做可靠才是使用C语言进行工程设计的关键。指针不是炫技，请各位老司机们安全驾驶。

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_未完待续\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

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