真正搞懂传值引用和传指针引用

通过一个基本原则和两个例子讲述传值引用和传指针引用的区别，并且从系统底层解析这两种调用的区别

acmore
2017.11.14

1. 问题概述

在C语言调用函数时，有两种传参数的方法，一种是传值，另一种是传参数。对于C语言的初学者（甚至是一些C语言的熟练使用者）而言，区别这两种形式往往比较困难，再加上C语言有指针，以及指针的指针等等，复杂多变的形式会使得这个过程更加困难。

很多初学者会尝试通过形式来记忆这两种方式，比如函数声明中有*的就是传指针，没有的就是传值，但是如果传入的参数本身就是一个指针，无论是传值还是传指针，函数声明都会有*，这种时候原有的形式记忆不再有效，需要再次记忆另外一套形式。形式是无穷无尽的，只有明白指针类型的本质，以及在函数调用过程中系统里到底发生了什么，才能真正理解这两种方式。

2. 简单认识

现在我们有两个函数，作用都是修改一个int类型的值，分别如下：

#include <stdio.h>

void modify1(int a) {
    a = 10086;
}

void modify2(int *a) {
    *a = 10086;
}

int main() {
    int x = 1;
    printf("%d\n", x);
    modify1(x);
    printf("%d\n", x);

    int y = 1;
    printf("%d\n", y);
    modify2(&y);
    printf("%d\n", y);

    return 0;
}

运行程序，会输出什么呢？

这个程序很简单，我们可以轻易看出modify1是传值引用，modify2是传指针引用。传值引用不会改变调用者的值，而传指针会改变调用者的值，并且在形式上，函数声明中有*，函数调用有&。因此我们这样记忆：只要改变了调用者的值，并且有*的函数就是传指针引用。

真的是这样吗？

3. 深入理解

下面我们定义一个结构体，这个结构体含有两个整数值，然后类似地写出两个修改函数：

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>

typedef struct Value {
    int a;
    int b;
}Value;

void modify1(Value *v) {
    v->a = 10086;
    v->b = 10010;
}

void modify2(Value **v) {
    (*v)->a = 10086;
    (*v)->b = 10010;
}

int main() {
    Value *v1 = (Value *) malloc(sizeof(Value));
    v1->a = v1->b = 1;
    printf("%d\t%d\n", v1->a, v1->b);
    modify1(v1);
    printf("%d\t%d\n", v1->a, v1->b);

    Value *v2 = (Value *) malloc(sizeof(Value));
    v2->a = v2->b = 1;
    printf("%d\t%d\n", v2->a, v2->b);
    modify2(&v2);
    printf("%d\t%d\n", v2->a, v2->b);

    return 0;
}

输出结果如下：

1   1
10086   10010
1   1
10086   10010

这次我们再按照之前的经验去判断，好像有点行不通，因为在对modify1和modify2的调用上虽然像是一个传值一个传指针，但是两个函数的声明中都有*，并且v1和v2的值都被改变了，经验不再适用！

这种时候我们应该回归底层，老老实实从系统层面理解在程序执行过程中到底发生了什么，我们首先应该记住的一个最重要的原则是：
- 指针类型和基本类型一样，本质没有什么区别

我们拿类型int和Value *做比较，根据上述原则，便有以下几条原则：

int在内存中占有一块空间，那么Value *同样会在内存中占有一块空间
可以得到一个指针指向int，那么也可以有一个指针指向Value *
使用&可以取得int的指针，那么同样可以使用&取得Value *的指针
传值引用时，有变量int a和Value* v，下边两种写法都是传值引用
- 操作int时，函数的参数类型就是int，调用函数时传入a
- 同理在操作Value *时，函数的参数类型就是Value *，调用函数时传入v
传指针引用时，下边两种写法都是传指针引用
- 操作int时，函数的参数类型是int *，调用函数时传入&a
- 操作Value *时，函数的参数类型是Value **，调用函数时传入&v

根据以上原则，不要把指针当做一个特殊的类型，把指针类型那一堆当成一个整体，传值时直接丢进去，传指针时就在后边加一个*，在对应的调用前加上&即可。

4. 问题拓展

现在我们要完成一个这样的函数：它可以代替malloc函数来对我们刚刚声明的一个指针进行赋值，在第三部分中我们了解到，在操作指针类型时，传值引用一样可以改变调用者的值，所以我们写出了下边的程序：

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>

typedef struct Value {
    int a;
    int b;
}Value;

void create(Value *v) {
    v = (Value *) malloc(sizeof(Value));
    v->a = 10086;
    v->b = 10010;
}

int main() {
    Value *v1;
    create(v1);
    printf("%d\t%d", v1->a, v1->b);
    return 0;
}

结果输出如下：

-16219251   -970326017

并没有符合我们的期待！说好的操作指针就可以高枕无忧了呢？这个时候我们需要从系统底层了解传值和传指针时到底发生了什么，如下图所示

传值引用时程序地址空间图示

首先v1的值是 $(p_1p_2p_3p_4p_5p_6p_7p_8)$ （32位系统为例），当调用create函数时，就是图上的①过程，这个时候v1的值被拷贝到v中，这时候如果直接对v操作是没有问题的，可以改变v1的值，因为它们俩指向的是同一块内存空间（事实上此时还没有指向任何有意义的空间），但是在随后的赋值语句中，即②过程，v的值立刻被替换为 $(k_1k_2k_3k_4k_5k_6k_7k_8)$ ，之后对v进行的操作其实是对 $(k_1k_2k_3k_4k_5k_6k_7k_8)$ 指向的空间的操作，这时候根本没v，也就是 $(p_1p_2p_3p_4p_5p_6p_7p_8)$ 指向的空间什么事，因此不能达到我们想要的效果。如果想要完成修改，仍需要传指针引用，修改后的代码如下：

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>

typedef struct Value {
    int a;
    int b;
}Value;

void create(Value **v) {
    (*v) = (Value *) malloc(sizeof(Value));
    (*v)->a = 10086;
    (*v)->b = 10010;
}

int main() {
    Value *v1;
    create(&v1);
    printf("%d\t%d", v1->a, v1->b);
    return 0;
}

5. 最后总结

指针没有什么特殊的，基本数据类型怎么对待，指针就怎么对待
要理解函数调用过程中进程地址空间中的变化，它能直观地体现传值引用和传指针引用的区别，并解决在使用过程中出现的问题
不要死记硬背形式，任何问题尝试回归底层理解