内存中指针的可视化

Question

作为 C 初学者，我知道指针是一种特殊的数据类型，用于存储数据类型的地址。如果我计算我的 PC（64 位操作系统）中任何指针的大小，它是 8 个字节。

在内存表示中，每个地址代表 1 个字节（字节寻址...我在维基百科上读到它），所以这意味着指针将占用 8 个连续的内存块，就像整数一样（4 个字节）？ 如果我们打印指针存储的地址；它会是那8个字节的基地址吗？

Answer 1

为了可视化程序中的数据，您可能需要查看 DDD（数据显示调试器），以防您有幸使用 Linux，而不是 Windows。

但是，由于您要问的是指针如何工作以及它们在内存中的结构如何……好吧……简短的答案是“这取决于”，因为它取决于您所在的特定机器体系结构、编译器等。如果您在 x86-64 上，那么是的，指针只是 8 个后续字节（64 位），小端排序（即，从较低内存地址的最低有效字节到较高内存地址的最高有效字节），应该被解释为无符号整数，其中每个后续位都是后续 2 次方的二进制数字。

当这些位被解释为无符号整数时，应该指示特定类型（与指针关联的类型）的其他内容的内存地址。指针指向内存中该对象的第一个字节的地址，即对象开始的位置。对象占用多少个后续字节取决于与指针关联的类型。

这是它在记忆中的样子：

                    0  1  2  3  4  5  6  7   8  9  A  B  C  D  E  F           
00000001'0020000x: (38 00 20 00 01 00 00 00) 55 23 0A 25 00 43 2F 10
00000001'0020001x:  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00
00000001'0020002x:  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00
00000001'0020003x:  13 37 D0 0C 00 00 00 00 [02 B0 AD 1B EF BE AD DE
00000001'0020004x:  1A 00 0F F0 0D D0 01 C0] 00 00 00 00 00 00 00 00

地址 0x00000001'00200000 包含一个指向两个 64 位整数结构的指针（我用圆括号标记了它的内存区域）。它的第一个字节是 38（最低有效字节），然后是 00、20、00、01，还有三个 00（最后一个是最高有效字节），所以它们代表数字 0x00000001'00200038，这是对象指向的内存起始地址。指针后面还有一些字节，但它们无关紧要，它们是其他数据的一部分。

现在让我们看看指针中包含的地址是什么：0x00000001'00200038。该区域的第一个字节是 02，然后是 B0，下一个是 AD，然后是 1B，依此类推……应该有两个 64 位整数打包在一个结构体中，因此指向的对象有 16 个字节长（我用方括号标记其内存区域）。第一个整数是 0xDEADBEEF1BADB002，第二个整数是 0xC001D00DF00F001A。

换句话说，我们有以下情况：

typedef struct {
   int first, second;
} TwoInts;

TwoInts *ptr;

TwoInts obj = { 0xC001D00DF00F001A, 0xDEADBEEF1BADB002 };

…

ptr = &obj;

对象

obj

已分配在从地址0x00000001'00200038开始的内存中，而指针

ptr

已在从地址0x00000001'00200000开始的内存中分配，并且它包含

obj的第一个字节的地址

。像这样：

 ptr:                       obj:
 0x00000001'00200000:       0x00000001'00200038: 0x00000001'00200040: 
[0x00000001'00200038]----->[0xC001D00DF00F001A] [0xDEADBEEF1BADB002]

还要记住，当涉及到 x86-64 上的内存地址时，它们位于虚拟内存地址空间中，这意味着它们并不完全是 RAM 芯片上实际物理内存中的地址。 CPU 的内存管理单元内部正在进行地址转换，将地址从虚拟地址空间转换为 RAM 中的物理地址。当操作系统加载您的程序并开始将其作为进程运行时，它会为其分配一些内存页并建立从虚拟地址空间到物理内存的映射。因此，从程序的角度来看，就好像您拥有从 0 到 2^64–1 的整个地址空间可供您使用，但此地址空间的大部分映射到任何内容，并且无法由您的程序读取或写入因为它们没有任何实际记忆的支持。操作系统为您的进程分配了一些内存段，并将其映射到您可以使用的实际 RAM，并且您可以安全地读取或写入这些内存段。如果您尝试访问该范围之外的某些内存，CPU 将检测到它，引发异常，并告诉操作系统因行为不当而终止您的程序 :J 此外，您可以运行程序的多个实例，所有这些实例似乎都使用相同的内存地址，但由于它们是“虚拟的”，因此每个实例实际上都可能映射到不同的物理地址，以便实例不会覆盖每个实例别人的数据。