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C语言和指针的本质是什么

2020年02月21日 编程语言 ⁄ 共 2429字 ⁄ 字号 评论关闭

  很多编程语言都以 “没有指针” 作为自己的优势来宣传,然而,对于C语言,指针却是与生俱来的。

  那么,什么是指针,为什么大家都想避开指针。

  很简单, 指针就是地址,当一个地址作为一个变量存在时,它就被叫做指针,该变量的类型,自然就是指针类型。

  指针的作用就是,给出一个指针,取出该指针指向地址处的值。为了理解本质,我们从计算机模型说起。

  宏观看来,计算机可以分为两类:

  存储-执行计算机。

  这类机器典型的例子就是我们平时使用的计算机,有一个CPU,有一个内存,CPU仅包含运算逻辑,所有的指令和数据都在内存中,内存仅供存储,不包含任何运算组件。

  现场编程计算机。

  这类机器的典型例子就是ASCI电路,FPGA这种。直接针对特定的需求构建逻辑电路,然而,由于存在笛卡尔积的问题,不太适合通用计算。

  我们看我们平时使用的存储-执行模型的计算机工作模式:

  CPU在地址总线上发射一个地址到内存。

  内存把特定地址对应的数据返回到数据总线。

  看起来,通用计算机就是通过指针完成所有工作的。CPU没有能力直接操作内存里的值,它必须做以下的操作以迂回:

  从特定地址A0取出值V0。

  对V0进行加工运算生成V1。

  将V1存入特定地址A1。

  太初,人们就是按照以上的这么个逻辑编程的,这就是汇编语言:

  mov -0x4c(%rbp),%ebx

  1

  然而,这样太麻烦了,C语言随着简单通用的UNIX操作系统而生,下面的语句看起来更加方便:

  int a = 10;

  char *p = &a;

  *p = 13;

  C语言直接映射了CPU的工作方式,而且是用极其简单的方式,这就是C语言的艺术。

  这就是C指针的背景。在那个年代,人们还没有渴望计算机帮助完成更复杂的业务逻辑,人们只是希望用一种更加简单的方式抽象出计算机的行为,最终的结晶,就是C语言。

  于是,我们说,C语言的精华就是指针,指针是C语言的一切。我们可以没有if-else语言,我们可以没有switch-case语句,我们可以不要while,我们不要for,但我们必须有指针。

  是的,我们可以用指针函数的状态矩阵代替if-else之类:

  int (*routine)[...]();

  ...

  condition = calc(...);

  routine[condition](argv);

  我们用状态矩阵成功规避了if-else…可以看到,还是用的指针。

  …

  指针是存储-执行模型的计算机工作的必要条件!

  我们再看存储-执行模型的计算机的工作方式:

  给定一个地址,CPU就可以取出该地址的数据。

  给定一个地址,CPU就可以写入该地址一个值。

  只要想让CPU正常工作,就必须暴露整个内存地址空间给CPU,否则CPU就是一堆毫无用处的门电路,换句话说, 一切来自内存! 操作内存就必然要用指针!

  其实,C语言就是简化版的汇编语言。最终,C语言接力汇编用指针创造了世界。

  不管怎么样,C语言是面向计算机的编程语言,而不是面向业务的编程语言,它映射了计算机的工作方式而不太善于描述业务逻辑,因此,C语言深受黑客,编程手艺人这种计算机本身的爱好者喜爱,却不被业务程序员待见,因为摆弄指针确实太繁琐复杂了,一不小心就会出错。

  存储-执行模型的问题在于,要设计复杂的带外机制防止内存被任意访问,由此而来的就是复杂的分段,分页,访问控制,MMU等机制,当然,这些机制和CPU依靠指针访问内存的工作方式并不冲突。

  把C语言指针用的最绝的应该就是Linux内核的嵌入式链表 struct list_head 了:

  struct list_head {

  struct list_head *next, *prev;

  };

  它可以代表一切,它通过C指针完美诠释了OOD,list_head是世界的基类!

  通过container_of宏,list_head可以转换为任意对象:

  /**

  * container_of - cast a member of a structure out to the containing structure

  * @ptr: the pointer to the member.

  * @type: the type of the container struct this is embedded in.

  * @member: the name of the member within the struct.

  *

  */

  #define container_of(ptr, type, member) ({ \

  void *__mptr = (void *)(ptr); \

  BUILD_BUG_ON_MSG(!__same_type(*(ptr), ((type *)0)->member) && \

  !__same_type(*(ptr), void), \

  "pointer type mismatch in container_of()"); \

  ((type *)(__mptr - offsetof(type, member))); })

  这个转换背后的依赖,正是指针:

  然而,C语言依然对业务编程不友好,前面说了,C语言映射的就是计算机工作方式本身,若想用好C语言,就必须要懂计算机原理,这并不是业务程序员的菜,业务程序员只是编写业务逻辑,并不在乎计算机是如何工作的。

  曾经,计算机还是一群痴迷于技术本身的极客们的玩具,计算机是属于他们的,他们用C编程,用Perl/Python/Bash粘合二进制程序。进入互联网时代,随着越来越复杂的业务逻辑出现,越来越多的职业程序员开始成了多数派,他们开始使用更加业务友好的语言,Java,Go便成功了。

  不能说这些业务编程语言没有指针,只是它们隐藏了指针而已,它们对程序员暴露了更加对业务友好的编程接口和语法,自己在底层处理指针问题,仅此而已。指针是客观存在的,只要你使用的是存储-执行模型的计算机,指针就是一切。

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