常识普及-C语言和指针的本质

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ASIC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。


最初,人们就是按照以上的这么个逻辑编程的,这就是汇编语言:


常识普及-C语言和指针的本质


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:


常识普及-C语言和指针的本质


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:


常识普及-C语言和指针的本质

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。


这意味着什么?


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:


常识普及-C语言和指针的本质


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:

常识普及-C语言和指针的本质


这个转换背后的依赖,正是指针:


常识普及-C语言和指针的本质


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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