关于空指针NULL、野指针、通用指针

只看该作者 · 2017-4-5 19:36

首先说一下什么是指针，只要明白了指针的含义，你就明白null的含义了。
假设有语句 int a=10;
那么编译器就在内存中开辟1个整型单元存放变量a，我们假设这个整型单元在内存中的地址是 0x1000；那么内存0x1000单元中存放了数据10，每次我们访问a的时候，实际上都是访问的0x1000单元中的10.
现在定义：int *p；
p=&a；
当编译器遇到语句int *p时，它也会在内存中给指针变量p分配一个内存单元，假设这个单元在内存的编址为0x1003；此时，0x1003中的值是不确定的，（因为我们没有给指针赋值），当编译器遇到了p=&a时，就会在0x1003单元中保存0x1000，请看，这就是说：（指针变量p代表的）内存单元0x1003存放了变量a的内存地址！用通俗的话说就是p指向了变量a。
p=NULL，就是说：内存单元0x1003不存放任何变量的内存地址。
删除一个new了的数组。有必要的话。比如非标准的类( new CMyClass)，在Type *p = new Type[N]; delete []p;的最后最好再加一句: p = NULL
空指针是一个特殊的指针值，也是唯一一个对任何指针类型都合法的指针值。指针变量具有空指针值，表示它当时处于闲置状态，没有指向有意义的东西。空指针用0表示，C语言保证这个值不会是任何对象的地址。给指针值赋零则使它不再指向任何有意义的东西。为了提高程序的可读性，标准库定义了一个与0等价的符号常量NULL. 程序里可以写 p = 0; 或者 p = NULL; 两种写法都把p置为空指针值。相对而言，前一种写法更容易使读程序的人意识到这里是一个指针赋值。
我们印象中C语言的指针都有类型，实际上也存在一种例外。这里涉及到通用指针，它可以指向任何类型的变量。通用指针的类型用（void *）表示，因此也称为void 指针。
int n=3, *p;
void *gp;
gp = &n;
p=(int *)gp1;
野指针，也就是指向不可用内存区域的指针。通常对这种指针进行操作的话，将会使程序发生不可预知的错误。
“野指针”不是NULL指针，是指向“垃圾”内存的指针。人们一般不会错用NULL指针，因为用if语句很容易判断。但是“野指针”是很危险的，if语句对它不起作用。野指针的成因主要有两种：
一、指针变量没有被初始化。任何指针变量刚被创建时不会自动成为NULL指针，它的缺省值是随机的，它会乱指一气。所以，指针变量在创建的同时应当被初始化，要么将指针设置为NULL，要么让它指向合法的内存。
二、指针p被free或者delete之后，没有置为NULL，让人误以为p是个合法的指针。别看free和delete的名字恶狠狠的（尤其是delete），它们只是把指针所指的内存给释放掉，但并没有把指针本身干掉。通常会用语句if (p != NULL)进行防错处理。很遗憾，此时if语句起不到防错作用，因为即便p不是NULL指针，它也不指向合法的内存块。例：
char *p = (char *) malloc(100);
strcpy(p, “hello”);
free(p); // p 所指的内存被释放，但是p所指的地址仍然不变
if(p != NULL) // 没有起到防错作用
strcpy(p, “world”); // 出错
另外一个要注意的问题：不要返回指向栈内存的指针或引用，因为栈内存在函数结束时会被释放。
指针是个很强大的工具，可是正因为它太强大，所以要操作它不是件易事。操作不当造成的野指针，甚至会引起系统死机等比较严重的后果。　如果程序定义了一个指针，就必须要立即让它指向一个我们设定的空间或者把它设为NULL，如果没有这么做，那么这个指针里的内容是不可预知的，即不知道它指向内存中的哪个空间（即野指针），它有可能指向的是一个空白的内存区域，可能指向的是已经受保护的区域，甚至可能指向系统的关键内存，如果是那样就糟了，也许我们后面不小心对指针进行操作就有可能让系统出现紊乱，死机了。所以我们必须设定一个空间让指针指向它，或者把指针设为NULL，这是怎么样的一个原理呢，如果是建立一个与指针相同类型的空间，实际上是在内存中的空白区域中开辟了这么一个受保护的内存空间，然后用指针来指向它，那么指针里的地址就是这个受保护空间的地址了，而不是不可预知的啦，然后我们就可以通过指针对这个空间进行相应的操作了；如果我们把指针设为NULL，我们在头文件定义中的 #define NULL 0 可以知道，其实NULL就是表示0，那么我们让指针＝NULL，实际上就是让指针＝0，如此，指针里的地址（机器数）就被初始化为0了，而内存中地址为0 的内存空间……不用多说也能想象吧，这个地址是特定的，那么也就不是不可预知的在内存中乱指一气的野指针了。　　还应该注意的是，free和delete只是把指针所指的内存给释放掉，但并没有把指针本身干掉。指针p被free以后其地址仍然不变（非NULL），只是该地址对应的内存是垃圾，p成了“野指针”。如果此时不把p设置为NULL，会让人误以为p是个合法的指针。用free或delete释放了内存之后，就应立即将指针设置为NULL，防止产生“野指针”。内存被释放了，并不表示指针会消亡或者成了NULL指针。（而且，指针消亡了，也并不表示它所指的内存会被自动释放。）　　最后，总结一下野指针的的成因吧： 1、指针变量没有被初始化。任何指针变量刚被创建时不会自动成为NULL指针，它的默认值是随机的，它会乱指一气。 2、指针p被free或者delete之后，没有置为NULL，让人误以为p是个合法的指针。 3、指针操作超越了变量的作用范围。这种情况让人防不胜防。

只看该作者 · 2017-4-5 19:36

空指针赋值分区
为什么通过空指针读写的时候就会出现异常？

除了NULL表示空指针，是否还有其他的值也是空指针？
如果还有其他的值，你们这些表示空指针的值都是什么？为什么？

首先解答第一个问题，在windows核心编程第四版的windows的内存结构一章中，表13-1有提到NULL指针分配的分区。其范围是从0x00000000到0x0000FFFF。这段空间是空闲的，对于空闲的空间而言，没有相应的物理存储器与之相对应，所以对这段空间来说，任何读写操作都是会引起异常的。
有了上面的解答后，第二个问题就很容易解答了。NULL的定义出现以下几个地方：
stdio.h文件中
#ifndef NULL
#ifdef __cplusplus
#define NULL 0
#else
#define NULL ((void *)0)
#endif
#endif
ios.h文件中
#ifndef NULL
#define NULL 0
#endif
windef.h文件中
#ifndef NULL
#ifdef __cplusplus
#define NULL 0
#else
#define NULL ((void *)0)
#endif
#endif
可见，NULL的值，基本上是用0来表示的，是不是只能用0呢？在windows xp sp2的系统平台下，如果执行下面代码也是会发生异常的：
int * pAddr = (int *)0x0000ffff;
*pAddr = 1;
而下面的代码是不会出问题的：
int * pAddr = (int *)0x00010000;
*pAddr = 1;
为什么呢？在windows xp sp2下发现0x00000000到0x0000FFFF是空闲区间，而0x00010000所处的是进程的私有区间。我想第二个问题应该已经解决了，我想，空指针是程序无论在何时都没有物理存储器与之对应的地址。为了保障“无论何时”这个条件，需要人为划分一个空指针的区域，固有上面NULL指针分区。
在第二个问题的基础上，要解答NULL指针的范围，那就相对来说容易了，对于在32位x86计算机上运行的windows xp sp2来说，就是从0x00000000到0x0000ffff。为什么分配如此大的空间？而在定义NULL的时候，只使用了 0x00000000这么一个值，这不是浪费吗？我想，这是操作系统地址空间的分配粒度相关的，windows xp sp2的分配粒度是64KB，为了达到对齐，空间地址需要从0x00010000开始分配，故空指针的区间范围有那么大。

只看该作者 · 2017-4-5 19:37

1. 空指针、NULL指针、零指针

1.1什么是空指针常量

0、0L、'\0'、3 - 3、0 * 17 （它们都是“integer constant expression”）以及 (void*)0 （我觉得(void*)0应该算是一个空指针吧，更恰当一点）等都是空指针常量（注意 (char*) 0 不叫空指针常量，只是一个空指针值）。至于系统选取哪种形式作为空指针常量使用，则是实现相关的。一般的 C 系统选择 (void*)0 或者 0 的居多（也有个别的选择 0L）；至于 C++ 系统，由于存在严格的类型转化的要求，void* 不能象 C 中那样自由转换为其它指针类型，所以通常选 0 作为空指针常量（C++标准推荐），而不选择 (void*)0。

1.2 什么是空指针

如果 p 是一个指针变量，则 p = 0; p = 0L; p = '\0'; p = 3 - 3; p = 0 * 17; 中的任何一种赋值操作之后（对于 C 来说还可以是 p = (void*)0;）， p 都成为一个空指针，由系统保证空指针不指向任何实际的对象或者函数。反过来说，任何对象或者函数的地址都不可能是空指针。（比如这里的(void*)0就是一个空指针。把它理解为null pointer还是null pointer constant会有微秒的不同，当然也不是紧要了）。其实空指针只是一种编程概念，就如一个容器可能有空和非空两种基本状态。

只看该作者 · 2017-4-5 19:38

1.3 NULL指针

NULL 是一个标准规定的宏定义，用来表示空指针常量。因此，除了上面的各种赋值方式之外，还可以用 p = NULL; 来使 p 成为一个空指针。

（很多系统中的实现：#define NULL (void*)0，与这里的“a null pointer constant”并不是完全一致的）

C++标准库定义的NULL指针

复制

// Define   NULL   pointer   value 

#ifndef   NULL 

#   ifdef   __cplusplus 

#     define   NULL      0 

#   else 

#     define   NULL      ((void   *)0) 

#   endif 

#endif //   NULL

NULL是一个宏，在C++里面被直接被定义成了整数立即数类型的0，而在没有__cplusplus定义的前提下，就被定义成一个值是0的void *类型指针常量。

1.4 零指针

零值指针，是值为0的指针，可以是任何一种指针类型，可以是通用变体类型void*，也可以是char*，int*等等。

在C++里面，任何一个概念都要以一种语言内存公认的形式表现出来，例如std::vector会提供一个empty()子函数来返回容器是否为空，然而对于一个基本数值类型（或者说只是一个类似整数类型的类型）我们不可能将其抽象成一个类（当然除了auto_ptr等只能指针）来提供其详细的状态说明，所以我们需要一个特殊值来做为这种状态的表现。
C++标准规定，当一个指针类型的数值是0时，认为这个指针是空的。（我们在其他的标准下或许可以使用其他的特殊值来定义我们需要的NULL实现，可以是1，可以是2，是随实现要求而定的，但是在标准C++下面我们用0来实现NULL指针）

只看该作者 · 2017-4-5 19:38

1.5 空指针向了内存的什么地方（空指针的内部实现）？

标准并没有对空指针指向内存中的什么地方这一个问题作出规定，也就是说用哪个具体的地址值（0x0 地址还是某一特定地址）表示空指针取决于系统的实现。我们常见的空指针一般指向 0 地址，即空指针的内部用全 0 来表示（zero null pointer，零空指针）；也有一些系统用一些特殊的地址值或者特殊的方式表示空指针（nonzero null pointer，非零空指针），具体请参见C FAQ。

在实际编程中不需要了解在我们的系统上空指针到底是一个 zero null pointer 还是 nonzero null pointer，我们只需要了解一个指针是否是空指针就可以了——编译器会自动实现其中的转换，为我们屏蔽其中的实现细节。注意：不要把空指针的内部表示等同于整数 0 的对象表示——如上所述，有时它们是不同的。

1.6 对空指针实现的保护政策

既然我们选择了0作为空的概念，在非法访问空的时候我们需要保护以及报错。因此，编译器和系统提供了很好的政策。

我们程序中的指针其实是WINDOWS内存段偏移后的地址，而不是实际的物理地址，所以不同的程序中的零值指针指向的同一个0地址，其实在内存中都不是物理内存的开端的0，而是分段的内存的开端，这里我们需要简单介绍一下WINDOWS下的内存分配和管理制度：

WINDOWS下，执行文件（PE文件）在被调用后，系统会分配给它一个额定大小的内存段用于映射这个程序的所有内容（就是磁盘上的内容）并且为这个段进行新的偏移计算，也就是说我们的程序中访问的所有NEAR指针都是在我们“自家”的段里面的，当我们要访问FAR指针的时候，我们其实是跳出了“自家的院子”到了他人的地方，我们需要一个段偏移地址来完成新的偏移（人家家里的偏移）所以我们的指针可能是OE02:0045就是告诉系统我们要访问0E02个内存段的0045好偏移，然后WINDOWS会自动给我们找到0E02段的开始偏移，然后为我们计算真实的物理地址。

所以程序A中的零值指针和程序B中的零值指针指向的地方可能是完全不同的。

保护政策：

我们的程序在使用的是系统给定的一个段，程序中的零值指针指向这个段的开端，为了保证NULL概念，系统为我们这个段的开头64K内存做了苛刻的规定，根据虚拟内存访问权限控制，我们程序中（低访问权限）访问要求高访问权限的这64K内存被视作是不容许的，所以会必然引发Access Volitation 错误，而这高权限的64K内存是一块保留内存（即不能被程序动态内存分配器分配，不能被访问，也不能被使用），就是简单的保留，不作任何使用。

我们在直接定义一个指针后并不知道这个指针指向何处（而不是有些程序员认为的如同JAVA等语言会自动零值初始化），所以我们一旦非法地直接访问这些未知地内容时，极其有可能会触碰到程序所不能触碰地内存（这时类似64K限制地保护政策又会起效，就如同你不仅随意闯入了陌生人的家（野指针），而且拿着刀子要问他要钱（访问），警察（WINDOWS内存访问保护政策）当然请你去警察局（报错）谈谈），所以养成良好的指针初始化（赋值为NULL）以及使用FREE（或者时DELETE）之后立即再初始化为空是十分必要的！

只看该作者 · 2017-4-5 19:39

1.7 为什么通过空指针读写的时候就会出现异常？

NULL指针分配的分区：其范围是从 0x00000000到0x0000FFFF。这段空间是空闲的，对于空闲的空间而言，没有相应的物理存储器与之相对应，所以对这段空间来说，任何读写操作都是会引起异常的。空指针是程序无论在何时都没有物理存储器与之对应的地址。为了保障“无论何时”这个条件，需要人为划分一个空指针的区域，固有上面NULL指针分区。

1.8 是否可以定义自己的 NULL 的实现？

NULL 是标准库中的一个reserved identifier （保留标识符）。所以，如果包含了相应的标准头文件而引入了 NULL 的话，则再在程序中重新定义 NULL 为不同的内容是非法的，其行为是未定义的。也就是说，如果是符合标准的程序，其 NULL 的值只能是 0，不可能是除 0 之外的其它值，比如 1、2、3 等。

1.9 malloc 函数在分配内存失败时返回 0 还是 NULL？

malloc 函数是标准 C 规定的库函数。在标准中明确规定了在其内存分配失败时返回的是一个 “null pointer”（空指针）。对于空指针值，一般的文档（比如 man）中倾向于用 NULL 表示，而没有直接说成 0。但是我们应该清楚：对于指针类型来说，返回 NULL 和返回 0 是完全等价的，因为 NULL 和 0 都表示 “null pointer”（空指针）。（一般系统中手册中都返回NULL）

C++里面的NEW再内存失败是会抛出一个BAD_ALLOC异常。

只看该作者 · 2017-4-5 19:39

2. 野指针

“野指针”不是NULL指针，是指向“垃圾”内存的指针。

2.1 “野指针”的成因主要有两种：

1）指针变量没有被初始化。任何指针变量刚被创建时不会自动成为NULL指针，它的缺省值是随机的，它会乱指一气。所以，指针变量在创建的同时应当被初始化，要么将指针设置为NULL，要么让它指向合法的内存。例如：
char *p = NULL;
char *str = (char *) malloc(100);

2）指针p被free或者delete之后，没有置为NULL，让人误以为p是个合法的指针。

free和delete只是把指针所指的内存给释放掉，但并没有把指针本身干掉。free以后其地址仍然不变（非NULL），只是该地址对应的内存是垃圾，p成了“野指针”。如果此时不把p设置为NULL，会让人误以为p是个合法的指针。如果程序比较长，我们有时记不住p所指的内存是否已经被释放，在继续使用p之前，通常会用语句if (p != NULL)进行防错处理。很遗憾，此时if语句起不到防错作用，因为即便p不是NULL指针，它也不指向合法的内存块。

复制

char *p = (char *) malloc(100);

strcpy(p, “hello”);

free(p);   // p 所指的内存被释放，但是p所指的地址仍然不变

     …

if(p != NULL)      // 没有起到防错作用

{

    strcpy(p, “world”);      // 出错

}

只看该作者 · 2017-4-5 19:40

3）指针操作超越了变量的作用范围。这种情况让人防不胜防，示例程序如下：

复制

class A 

{      

public:

     void Func(void){ cout << “Func of class A” << endl; }

};

void Test(void)

{

    A *p;

   {

      A a;

      p = &a; // 注意 a 的生命期 ，只在这个程序块中（花括号里面的两行），而不是整个test函数

   }

     p->Func();  // p是“野指针”

}

函数Test在执行语句p->Func()时，对象a已经消失，而p是指向a的，所以p就成了“野指针”。

只看该作者 · 2017-5-15 23:57

谢谢楼主分享！

只看该作者 · 2017-5-16 12:01

学习学习

只看该作者 · 2017-5-16 16:03

受教了