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常識普及-C語言和指針的本質

那麼,什麼是指針?為什麼大家都想避開指針?

很簡單, 指針就是位址,當一個位址作為一個變量存在時,它就被叫做指針,該變量的類型,自然就是指針類型。

指針的作用就是,給出一個指針,取出該指針指向位址處的值。為了了解本質,我們從計算機模型說起。

宏觀看來,計算機可以分為兩類:

  • 存儲-執行計算機。這類機器典型的例子就是我們平時使用的計算機,有一個CPU,有一個記憶體,CPU僅包含運算邏輯,所有的指令和資料都在記憶體中,記憶體僅供存儲,不包含任何運算元件。
  • 現場程式設計計算機。這類機器的典型例子就是ASIC電路,FPGA這種。直接針對特定的需求建構邏輯電路,然而,由于存在笛卡爾積的問題,不太适合通用計算。

我們看我們平時使用的存儲-執行模型的計算機工作模式:

  • CPU在位址總線上發射一個位址到記憶體。
  • 記憶體把特定位址對應的資料傳回到資料總線。

看起來,通用計算機就是通過指針完成所有工作的。CPU沒有能力直接操作記憶體裡的值,它必須做以下的操作以迂回:

  • 從特定位址A0取出值V0。
  • 對V0進行加工運算生成V1。
  • 将V1存入特定位址A1。

最初,人們就是按照以上的這麼個邏輯程式設計的,這就是彙編語言:

常識普及-C語言和指針的本質

然而,這樣太麻煩了,C語言随着簡單通用的UNIX作業系統而生,下面的語句看起來更加友善:

常識普及-C語言和指針的本質

C語言直接映射了CPU的工作方式,而且是用極其簡單的方式,這就是C語言的藝術。

這就是C指針的背景。在那個年代,人們還沒有渴望計算機幫助完成更複雜的業務邏輯,人們隻是希望用一種更加簡單的方式抽象出計算機的行為,最終的結晶,就是C語言。

于是,我們說,C語言的精華就是指針,指針是C語言的一切。我們可以沒有if-else語言,我們可以沒有switch-case語句,我們可以不要while,我們不要for,但我們必須有指針。

是的,我們可以用指針函數的狀态矩陣代替if-else之類:

常識普及-C語言和指針的本質

我們用狀态矩陣成功規避了if-else…

可以看到,還是用的指針。

指針是存儲-執行模型的計算機工作的必要條件!

我們再看存儲-執行模型的計算機的工作方式:

  • 給定一個位址,CPU就可以取出該位址的資料。
  • 給定一個位址,CPU就可以寫入該位址一個值。

這意味着什麼?

隻要想讓CPU正常工作,就必須暴露整個記憶體位址空間給CPU,否則CPU就是一堆毫無用處的門電路,換句話說, 一切來自記憶體!操作記憶體就必然要用指針!

其實,C語言就是簡化版的彙編語言。最終,C語言接力彙編用指針創造了世界。

不管怎麼樣,C語言是面向計算機的程式設計語言,而不是面向業務的程式設計語言,它映射了計算機的工作方式而不太善于描述業務邏輯,是以,C語言深受黑客,程式設計手藝人這種計算機本身的愛好者喜愛,卻不被業務程式員待見,因為擺弄指針确實太繁瑣複雜了,一不小心就會出錯。

存儲-執行模型的問題在于,要設計複雜的帶外機制防止記憶體被任意通路,由此而來的就是複雜的分段,分頁,通路控制,MMU等機制,當然,這些機制和CPU依靠指針通路記憶體的工作方式并不沖突。

把C語言指針用的最絕的應該就是Linux核心的嵌入式連結清單struct list_head了:

常識普及-C語言和指針的本質

它可以代表一切,它通過C指針完美诠釋了OOD,list_head是世界的基類!

通過container_of宏,list_head可以轉換為任意對象:

常識普及-C語言和指針的本質

這個轉換背後的依賴,正是指針:

常識普及-C語言和指針的本質

然而,C語言依然對業務程式設計不友好,前面說了,C語言映射的就是計算機工作方式本身,若想用好C語言,就必須要懂計算機原理,這并不是業務程式員的菜,業務程式員隻是編寫業務邏輯,并不在乎計算機是如何工作的。

曾經,計算機還是一群癡迷于技術本身的極客們的玩具,計算機是屬于他們的,他們用C程式設計,用Perl/Python/Bash粘合二進制程式。進入網際網路時代,随着越來越複雜的業務邏輯出現,越來越多的職業程式員開始成了多數派,他們開始使用更加業務友好的語言,Java,Go便成功了。

不能說這些業務程式設計語言沒有指針,隻是它們隐藏了指針而已,它們對程式員暴露了更加對業務友好的程式設計接口和文法,自己在底層處理指針問題,僅此而已。指針是客觀存在的,隻要你使用的是存儲-執行模型的計算機,指針就是一切。