指针乃 C 语言之精髓所在!
那指针是什么呢?它到底指到哪里了?我们听到的最多的解释可能就是,指针即地址。
那地址说的又是什么呢?
如果你对计算机的构成了解的不够透彻,可能很难真正理解这些鬼东西?
接下来,我们就深入到计算机的最底层,来了解指针到底是什么?
我们先来讨论这样一个问题,如果我们定义了一个变量a。
那变量a被存储在什么地方了呢?
一想到存储的器件,大家可能会想到固态硬盘或者内存条。
而变量对读写速度有极高的要求,现在的主流的固态硬盘的速度在3-4GB/S(GB每秒),而主流内存条的速度可达40GB/S,速度相差了近10倍,那我们定义的变量a是不是存储在了内存条里面呢?
其实也不是,因为40GB/S速度依旧不够快,那还有比内存条更快的存储器吗?
有,但我们一般很少有人关注,这个存储器件位于CPU内部,也就是我们所说的缓存,缓存又分为L1、L2和L3缓存,其实这才是真正的内存,因为它位于CPU内部,而内存条位于CPU外部,其实应该叫外存才更为合适呢。
那这些缓存的速度有多快呢?
可以看一下,这是我的电脑的缓存速度,L1的读写速度可达4000多GB/s,是内存条速度的100多倍,是固态硬盘的1000多倍,虽然我们觉得固态硬盘速度已经很快了,但是跟缓存比速度还差得多。
我们定义的变量就是存储在了缓存里面。
那缓存到底是什么东西呢?
其实缓存和内存都属于RAM,但是缓存属于SRAM,而内存条是DRAM。
缓存之所以比内存条快,是因为缓存的本质上是由触发器构成的,仅存储一位数据就得需要很多门电路,而一个门电路还得需要好几个晶体管。
而内存条存储一位数据只需要一位晶体管,所以内存条可以比缓存的容量要大得多。
可以看一下,我的电脑的缓存加起来也才20MB,而内存条都是几个G起步。
内存条靠的是电容的充放电来存储数据的,充放电需要一段时间,而缓存只要一通电瞬间就能存储数据,所以在存储速度上,SRAM要比DRAM要快得多。
接下来我们就来说一下,它是怎么存储一位数据的。
只有当地址线为1的时候,这个单元才有效,此时我们给数据输入1,它的数据输出就是1;如果给它0,数据输出就为0;
而当地址线为0的时候,输入是无效的。
为了方便,我们用一个小方块表示一位SRAM存储单元。
一个字节就是8个小方块,它们共用一根地址线,要写入之前,首先得给地址线写1,然后再给8个数据输入写入不同的数据。
这样就能完成一个字节的读写了。
那两个字节的读写呢?
是不是得增加9根线呢?这样当然可以,但电子工程师不会这么简单粗暴的去设计东西。
可以看一下这个电路,只需要增加一个非门,不需要额外增加任何一根线,我们就能控制两个字节数据了。
首先它们的数据输入都连在了一块。
当我们给它输入1,经过非门之后,会变为0,此时上面的一个字节被允许读写;
而当给它输入0时,下面的字节被允许读写。
通过这个非门我们就能选择对哪一个字节进行读写了。
如果是两个字节,只需要一个非门就可以。
那如果是8个自己字节呢?
此时得需要增加一个叫译码器的东西。
这是38译码器,它有3个输入,8个输出。
如果我们给它输入000,它的第一个输出是1,其它全是0;如果是001,则第二个输出的是1;这是它的真值表。
它就相当于一个选择器,这样我们就能用3根地址线去控制8个字节的读写了。
如果是4输入译码器,他能控制16个字节。
10输入译码器,能控制1024个字节,也就是我们常说的1KB数据。
而16输入译码器,就能控制65536个字节,共64KB数据,也就是它的寻址范围是64KB。
知道了这个,我们再来看C语言的指针,就会有更加深刻的理解。
就拿这条语句来说,它是把a的地址赋给指针p。
&a是取地址运算,假如我们的存储空间只有16个字节,如果当地址输入是1111的时候,译码器控制的是存储变量a的这一个单元,那么a的地址就是1111,地址其实就是译码器输入的二进制值,也就是&a的值是1111,换算成16进制就是0xF。
把这个地址赋给指针p之后,指针p的值就是0xf。
而*p则是指针变量p指向的存储单元存储的值,也就是我们给地址译码器输入0xf的时候,CPU正好访问的就是变量a的存储单元所存储的值。
这就是我对C语言指针的理解,希望对你有帮助。