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1.内存和地址

1.1 内存

生活中，每个房间有了房间号，就能提高效率，能快速的找到房间。

CPU（中央处理器）在处理数据的时候，需要的数据是在内存中读取的，处理后的数据也会放回内存中，那这些内存空间如何高效的管理呢？

其实也是把内存划分为一个个的内存单元，每个内存单元的大小取1个字节。

一个比特位可以存储一个2进制的位1或者0。

1. bit - 比特位

2. Byte - 字节

3. KB

4. MB

5. GB

6. TB

7. PB

1. 1Byte = 8bit
2. 1KB = 1024Byte
3. 1MB = 1024KB
4. 1GB = 1024MB
5. 1TB = 1024GB
6. 1PB = 1024TB

每个内存单元，相当于一个学生宿舍，一个字节空间里面能放8个比特位，就好比同学们住的八人间，每个人是一个比特位。

每个内存单元也都有一个编号（这个编号就相当于宿舍房间的门牌号），有了这个内存单元的编号，CPU就可以快速找到一个内存空间。

生活中我们把门牌号也叫地址，在计算机中我们把内存单元的编号也称为地址。C语言中给地址起了新的名字叫：指针。

所以我们可以理解为：

内存单元的编号 == 地址 == 指针

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1.2 究竟该如何理解编址

CPU访问内存中的某个字节空间，必须知道这个字节空间在内存的什么位置，而因为内存中字节很多，所以需要给内存进行编址(就如同宿舍很多，需要给宿舍编号一样)。计算机中的编址，并不是把每个字节的地址记录下来，而是通过硬件设计完成的。

首先，必须理解，计算机内是有很多的硬件单元，而硬件单元是要互相协同工作的。所谓的协
同，至少相互之间要能够进行数据传递。

但是硬件与硬件之间是互相独立的，那么如何通信呢？答案很简单，用"线"连起来。

而CPU和内存之间也是有大量的数据交互的，所以，两者必须也用线连起来。

不过，我们今天只关心地址总线。

我们可以简单理解，32位机器有32根地址总线，每根线只有两态，表示0,1【电脉冲有无】，那么一根线，就能表示2种含义，2根线就能表示4种含义，依次类推。32根地址线，就能表示2^32种含义，每一种含义都代表一个地址。

地址信息被下达给内存，在内存上，就可以找到该地址对应的数据，将数据在通过数据总线传入CPU内寄存器。

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2.指针变量和地址

2.1 取地址操作符（&）

理解了内存和地址的关系，我们再回到C语言，在C语言中创建变量其实就是向内存申请空间。

#include <stdio.h>
int main()
{int a = 10;return 0;
}

为了方便查看内存空间，我们可以换到x86编译环境。

a = 10，这里为什么是0a呢？因为这里是十六进制数。

比如，上述的代码就是创建了整型变量a，内存中申请4个字节，用于存放整数10，其中每个字节都有地址，上图中4个字节的地址分别是：

0x003CF734

0x003CF735

0x003CF736

0x003CF737

这里变量的名字a，仅仅是给程序员看的，编译器是不看名字的，编译器是通过地址来找内存单元的。

我们如何能得到a的地址呢？

这里就得学习一个操作符(&)-取地址操作符。

#include <stdio.h>
int main()
{int a = 10;&a;//通过取地址操作符：& 来取出a的地址printf("%p\n", &a);//%p是专门用来打印地址的。return 0;
}

打印：

0x003CF734

&a取出的是a所占4个字节中地址较小的字节的地址。

整型变量占用4个字节，我们只要知道了第一个字节地址，顺藤摸瓜访问到4个字节的数据也是可行的。

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2.2 指针变量和解引⽤操作符（*）

2.2.1 指针变量

我们通过取地址操作符(&)拿到的地址是一个数值，比如：0x006FFD70，这个数值有时候也是需要存储起来，方便后期再使用的，那我们把这样的地址值存放在哪里呢？

答案是：指针变量中。

#include <stdio.h>
int main()
{int a = 10;int * pa = &a;//取出a的地址并存储到指针变量pa中//pa是一个变量，这个变量pa是用来存放地址（指针）的，pa叫指针变量return 0;
}

pa是指针变量的名字

int*是指针变量的类型

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2.2.2 如何拆解指针类型

a是一个int类型的变量，里面存了10，地址是0x003CF734。

我们存起来这个地址是不是又要创建一个变量？

pa变量里面存的是0x003CF734，类型是int*。

1. *表示pa是指针变量。

2. int表示pa指向的变量a的类型是int。

然后我们依样画葫芦：

char ch = 'w';

w的指针变量是是怎么写的？

char* pc = &ch;

指针变量也是一种变量，这种变量就是用来存放地址的，存放在指针变量中的值都会理解为地址。

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2.2.3 解引⽤操作符

我们将地址保存起来，未来是要使用的，那怎么使用呢？

我们只要拿到了地址（指针），就可以通过地址（指针）找到地址（指针）指向的对象，这里必须学习一个操作符叫解引用操作符(*)。

int main()
{int a = 100;int* pa = &a;*pa = 0;//* 解引用操作符（间接访问操作符）//*pa 就是 areturn 0;
}

代码中第5行就使用了解引用操作符， *pa 的意思就是通过pa中存放的地址，找到指向的空间，*pa其实就是a变量。

所以*pa = 0，这个操作符是把a改成了0。

这个操作和直接把a赋值为0作用是一样的，但是多了一种的途径，写代码就会更加灵活。

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2.3 指针变量的⼤⼩

32位机器假设有32根地址总线，每根地址线出来的电信号转换成数字信号后是1或者0，那我们把32根地址线产生的2进制序列当做一个地址，那么一个地址就是32个bit位，需要4个字节才能存储。

如果指针变量是用来存放地址的，那么指针变量的大小就得是4个字节的空间才可以。

同理64位机器，假设有64根地址线，一个地址就是64个二进制位组成的二进制序列，存储起来就需要8个字节的空间，指针变量的大小就是8个字节。

#include <stdio.h>
//指针变量的大小取决于地址的大小
//32位平台下地址是32个bit位（即4个字节）
//64位平台下地址是64个bit位（即8个字节）
int main()
{printf("%zd\n", sizeof(char *));printf("%zd\n", sizeof(short *));printf("%zd\n", sizeof(int *));printf("%zd\n", sizeof(double *));return 0;
}

X86环境	X64环境

• 32位平台下地址是32个bit位，指针变量大小是4个字节

• 64位平台下地址是64个bit位，指针变量大小是8个字节

注意：指针变量的大小和类型是无关的，只要指针类型的变量，在相同的平台下，大小都是相同的。

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3.指针变量类型的意义

指针变量的大小和类型无关，只要是指针变量，在同一个平台下，大小都是一样的，为什么还要有各种各样的指针类型呢？

其实指针类型是有特殊意义的。

3.1 指针的解引⽤

代码1：

#include <stdio.h>
int main()
{int n = 0x11223344;int *pi = &n; *pi = 0; return 0;
}

代码2：

#include <stdio.h>
int main()
{int n = 0x11223344;char *pc = (char *)&n;*pc = 0;return 0;
}

上面n的赋值之所以写0x11223344这个东西，是因为写小了是放不满4个字节的，看变化就不明显了。

通过调试我们可以看到，代码1会将n的4个字节全部改为0，但是代码2只是将n的第一个字节改为0。

我们可以得到一个结论：指针的类型决定了，对指针解引用的时候有多大的权限（一次能操作几个字节）。

比如： char* 的指针解引用就只能访问一个字节，而 int* 的指针的解引用就能访问四个字节。

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3.2 指针±整数

#include <stdio.h>
int main()
{int n = 20;int* pc = &n;char* pi = &n;printf("&n = %p\n", &n);printf("pc = %p\n", pc);printf("pi = %p\n", pi);printf("&n+1 = %p\n", &n+1);printf("pc+1 = %p\n", pc + 1);printf("pi+1 = %p\n", pi + 1);return 0;
}

打印：

&n和&n+1地址相差4。

pc和pc+1地址相差4。

pi和pi+1地址相差1。

为了方便观看，下面图里面我们把a改一下。

加一和减一是一样的过程。

我们可以得到结论：指针的类型决定了指针向前或者向后走一步有多大（距离）。

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3.3 void* 指针

在指针类型中有一种特殊的类型是 void * 类型的，可以理解为无具体类型的指针（或者叫泛型指针），这种类型的指针可以用来接受任意类型地址。但是也有局限性， void* 类型的指针不能直接进行指针的±整数和解引用的运算。

int main()
{int a = 10;int* pa = &a;//&a是int*char* pc = &a;//&a是int*return 0;
}

在上面的代码中，将一个int类型的变量的地址赋值给一个char类型的指针变量。编译器给出了一个警告，是因为类型不兼容。

而使用void类型就不会有这样的问题。

#include <stdio.h>
int main()
{int a = 10;char ch = 'w';void* pv1 = &a;//&a是int*void* pv2 = &ch;//&ch是char*return 0;
}

解引用：

#include <stdio.h>
int main()
{int a = 10;void* pa = &a;void* pc = &a;*pa = 10;//void* 是无具体类型指针，它解引用的时候不知道解析几个字节*pc = 0;pv1 + 1;//这个也不行，因为它是无具体类型指针，你加一的时候打算跳过几个字节？return 0;
}

编译报错。

因为void* 类型的指针不能直接进行指针的±整数和解引用的运算。

那么 void* 类型的指针到底有什么用呢？

一般 void* 类型的指针是使用在函数参数的部分，用来接收不同类型数据的地址，这样的设计可以实现泛型编程的效果。使得一个函数来处理多种类型的数据。

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4.const修饰指针

4.1 const修饰变量

变量是可以修改的，如果把变量的地址交给一个指针变量，通过指针变量的也可以修改这个变量。但是如果我们希望一个变量加上一些限制，不能被修改，怎么做呢？

我们可以通过const。

#include <stdio.h>
int main()
{int m = 0;m = 20;//m可以被修改const int n = 0;n = 20;//n不能被修改return 0;
}

const修饰的变量叫做常变量，这个被修饰的变量本质上还是变量，只是不能被修改。

怎么证明这个是常变量而不是常量呢？

int n = 10;
int arr[n];

这里会报错，因为C99语法之前是不支持变长数组的，数组大小是需要常量，常量表达式来制定的，不能是变量。

const int n = 10;
int arr[n];

这里还是会报错，说明const修饰的变量n不是常量，而是常变量。

但是如果我们绕过n，使用n的地址，去修改n就能做到了。

int main()
{const int n = 0;printf("n = %d\n", n);int*p = &n;*p = 20;printf("n = %d\n", n);return 0;
}

打印：

n = 0
n = 20

这里确实修改了const修饰的n，但是我们还是要思考一下，为什么n要被const修饰呢？

就是为了不能被修改。

如果p拿到n的地址就能修改n，这样就打破了const的限制，这是不合理的，所以应该让p拿到n的地址也不能修改n，那接下来怎么做呢？

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4.2 const修饰指针变量

一般来讲const修饰指针变量，放在*左边和*右边，意义是不一样的。

先看个小例子：

int main() {int n = 10;int m = 100;int* p = &n;//p里面存放着n的地址,p本身也有个地址*p = 20;//通过p里面存放着n的地址来找到n，改变n的值，p本身地址不变//不会报错p = &m;//把p里存放的n的地址改成m的地址，p本身地址不变//不会报错return 0;
}

关于指针变量p有3个相关的值：

1. p，p里面存放着一个地址

2. *p，p指向的那个对象

3. &p，表示的是p变量的地址

然后我们加入const：

4.2.1.const在*左边

int main() {int n = 10;int m = 100;int const* p = &n;//const int* p = &n;这个和上面那行一样*p = 20;//会报错p = &m;//不会报错return 0;
}

为什么会报错呢？

因为const放在这里限制的是*p，也就是p指向的对象n。但是没有限制p本身。也就是说可以修改p，但是不能通过*p修改n。

这里定义n的时候没加const，所以可以直接更改n，但是不能通过*p修改n。

如果定义n的时候加了const，那么不可以直接更改n，也不能通过*p修改n。

所以，const修饰指针变量，限制的是指针指向的内容，就是不能通过指针变量p来修改p所指向的内容。但是指针变量p本身是可以改变的。

4.2.2.const在*右边

int main() {int n = 10;int m = 100;int* const p = &n;*p = 20;//不会报错p = &m;//会报错return 0;
}

这里的const修饰的是p本身，没有修饰*p。

也就是我们不能改变p里面存放的值，但是我们可以通过*p来改变n的值。

const如果放在*的右边，修饰的是指针变量本身，保证了指针变量的内容不能修改，但是指针指向的内容，可以通过指针改变。

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5.指针运算

5.1 指针± 整数

因为数组在内存中是连续存放的，只要知道第一个元素的地址，顺藤摸瓜就能找到后面的所有元素。

int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};

我们来看一下下面的代码：

int main()
{int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};int *p = &arr[0];int i = 0;int sz = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);for(i=0; i<sz; i++){printf("%d ", *(p+i));//p+i 这里就是指针+整数}return 0;
}

打印：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

int*p;

p+i是跳过i*sizeof(int)个字节

1. 指针类型决定了指针+1的步长，决定了指针解引用的权限。

2. 数组在内存中是连续存放的

然后我们看一下下面的例子：

int main()
{int arr[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };char* p = &arr[0];int i = 0;int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);for (i = 0; i < sz; i++){printf("%d ", *p);//p+i 这里就是指针+整数p += 4;}return 0;
}

打印：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

乍一看是不是感觉没问题？其实这个代码是有问题的。

因为p是char*类型的，这里的p += 4;会只读取每个int类型（int类型4字节，char类型1字节）的第一个字节，跳过每个int类型的后3个字节。

数字小的时候可能看不出什么，但是数字大了就可能会打印奇怪的东西。

int main()
{int arr[10] = { 100,200,3,4,5,6,7,8,9,10 };char* p = &arr[0];int i = 0;int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);for (i = 0; i < sz; i++){printf("%d ", *p);//p+i 这里就是指针+整数p += 4;}return 0;
}

打印:

100 -56 3 4 5 6 7 8 9 10

这里的-56是怎么来的呢？我也很好奇，就算了一下。

-56原码：1011 1000
-56反码：1100 0111
-56补码：1100 1000

-56的补码，如果看成无符号二进制数的话，刚好是200。

200存到int类型里面是这样的：因为int类型4字节

200原码：00000000 00000000 00000000 11001000
200补码：00000000 00000000 00000000 11001000

但是char类型就1个字节，计算机里面又是看补码的。

补码：1100 1000
反码：1100 0111
原码：1011 1000 ---> -56

于是就得到-56这个东西。

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5.2 指针-指针

指针-指针的绝对值是指针和指针之间元素的个数。

指针-指针计算的前提条件是两个指针指向的是同一个空间。

int main()
{int arr[10] = { 1,200,3,4,5,6,7,8,9,10 };printf("%d\n", &arr[9] - &arr[0]);return 0;
}

打印：

9

用一个函数求字符串长度：

int main()
{char arr[] = "abcdef";size_t len = strlen(arr);//strlen统计\0之前的字符个数//arr是arr[]数组首元素地址，相当于&arr[0]printf("%zd\n", len);return 0;
}

打印：

6

写一个函数求字符串长度：（指针++）

//size_t是一种无符号整型
size_t my_strlen(char* p) {size_t count = 0;//计数器while (*p != '\0') {count++;p++;}return count;
}int main()
{char arr[] = "abcdef";size_t len = my_strlen(arr);printf("%zd\n", len);return 0;
}

打印：

6

或者我们也可以用指针-指针

size_t my_strlen(char* p) {char* start = p;char* end = p;while (*end != '\0') {end++;}return end-start;
}int main()
{char arr[] = "abcdef";size_t len = my_strlen(arr);printf("%zd\n", len);return 0;
}

打印：

6

注意：

指针+指针没啥意义。

就像日期-日期可以得到间隔天数，日期+日期得到的东西没啥用。

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5.3 指针的关系运算

实际上就是比较指针的大小 。

int main()
{int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};int *p = &arr[0];int sz = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);while(p < &arr[sz]) //指针的大小比较{printf("%d ", *p);p++;}return 0;
}

打印：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

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6.野指针

野指针就是指针指向的位置是不可知的（随机的、不正确的、没有明确限制的）

6.1 野指针成因

6.1.1.指针未初始化

#include <stdio.h>
int main()
{ int *p;//局部变量指针未初始化，默认为随机值*p = 20;return 0;
}

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6.1.2.指针越界访问

#include <stdio.h>
int main()
{int arr[10] = {0};int *p = &arr[0];int i = 0;for(i=0; i<=11; i++){//当指针指向的范围超出数组arr的范围时，p就是野指针*(p++) = i;}return 0;
}

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6.1.3.指针指向的空间释放

#include <stdio.h>
int* test()
{int n = 100;return &n;
}
int main()
{int*p = test();printf("%d\n", *p);return 0;
}

test函数调用完就销毁了，p得到的地址就不属于当前程序了。

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6.2 如何规避野指针

6.2.1 指针初始化

如果明确知道指针指向哪里就直接赋值地址，如果不知道指针应该指向哪里，可以给指针赋值NULL。

NULL 是C语言中定义的一个标识符常量，值是0，0也是地址，这个地址是无法使用的，读写该地址会报错。

int main()
{int num = 10;int*p1 = #int*p2 = NULL;*p2 = 200;//写这行的话程序会崩掉，因为空指针是不能访问的。return 0;
}

我们也可以这样：

int main()
{int* p = NULL;if(p!=NULL){*p = 200;}return 0;
}

这样就没问题啦~

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6.2.2 ⼩⼼指针越界

一个程序向内存申请了哪些空间，通过指针也就只能访问哪些空间，不能超出范围访问，超出了就是越界访问。

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6.2.3 指针变量不再使⽤时，及时置NULL，指针使⽤之前检查有效性

当指针变量指向一块区域的时候，我们可以通过指针访问该区域，后期不再使用这个指针访问空间的时候，我们可以把该指针置为NULL。因为约定俗成的一个规则就是：只要是NULL指针就不去访问，同时使用指针之前可以判断指针是否为NULL。

int main()
{int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};int *p = &arr[0];int i = 0;for(i=0; i<10; i++){*(p++) = i;}//p++是先用后加的，所以用完之后会越界//此时p已经越界了，可以把p置为NULLp = NULL;//下次使用的时候，判断p不为NULL的时候再使用p = &arr[0];//重新让p获得地址if(p != NULL) //判断{//...}return 0;
}

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6.2.4 避免返回局部变量的地址

不要返回局部变量的地址。

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7.assert断言

assert.h 头文件定义了宏 assert() ，用于在运行时确保程序符合指定条件，如果不符合，就报错终止运行。这个宏常常被称为“断言”。

assert(p != NULL);

上面代码在程序运行到这一行语句时，验证变量 p 是否等于 NULL 。如果确实不等于 NULL ，程序继续运行，否则就会终止运行，并且给出报错信息提示。

assert() 宏接受一个表达式作为参数。

如果该表达式为真（返回值非零）， assert() 不会产生任何作用，程序继续运行。

如果该表达式为假（返回值为零）， assert() 就会报错，在标准错误流 stderr 中写入一条错误信息，显示没有通过的表达式，以及包含这个表达式的文件名和行号。

使用 assert() 有几个好处：

它不仅能自动标识文件和出问题的行号，还有一种无需更改代码就能开启或关闭 assert() 的机制。如果已经确认程序没有问题，不需要再做断言，就在 #include <assert.h> 语句的前面，定义一个宏 NDEBUG 。

#define NDEBUG
#include <assert.h>

然后，重新编译程序，编译器就会禁用文件中所有的 assert() 语句。如果程序又出现问题，可以移除这条 #define NDEBUG 指令（或者把它注释掉），再次编译，这样就重新启用了 assert() 语句。

缺点：因为引入了额外的检查，增加了程序的运行时间。

一般我们可以在 Debug 中使用，在 Release 版本中选择禁用 assert 就行，在 VS 这样的集成开发环境中，在 Release 版本中，直接就是优化掉了。

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8.指针的使用和传址调用

8.1 strlen的模拟实现

#include <assert.h>
size_t my_strlen(const char * str)//这里加个const是为了防止arr通过str被修改
{//这里加了const会增强代码的健壮性（鲁棒性）size_t count = 0;assert(str != NULL);//断言while(*str){count++;str++;}return count;
}
int main()
{char arr[] = "abcdef";size_t len = my_strlen(arr);printf("%d\n", len);return 0;
}

打印：

6

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8.2 传值调⽤和传址调⽤

学习指针的目的是使用指针解决问题，那什么问题，非指针不可呢？

例如：写一个函数，交换两个整型变量的值

#include <stdio.h>
void Swap1(int x, int y)
{int tmp = x;x = y;y = tmp;
}
int main()
{int a = 0;int b = 0;scanf("%d %d", &a, &b);printf("交换前：a=%d b=%d\n", a, b);Swap1(a, b);printf("交换后：a=%d b=%d\n", a, b);return 0;
}

打印：

10 20
交换前：a=10 b=20
交换后：a=10 b=20

咦？为什么没产生交换效果呢？

因为a和ba和b在main函数内部创建，形参x和y在Swap1函数内部创建并接收a和b的值。

x和y是独立的空间，在Swap1函数内部交换x和y的值，自然不会影响a和b。

Swap1函数在使用的时候，是把变量本身直接传递给了函数，这种调用函数的方式我们之前在函数的时候就知道了，这种叫传值调用。

说明：实参传递给形参的时候，形参会单独创建一份临时空间来接收实参，对形参的修改不影响实参。

所以Swap1失败。

怎样解决？

我们现在要解决的就是当调用Swap函数的时候，Swap函数内部操作的就是main函数中的a和b，直接将a和b的值交换了。

那么就可以使用指针了，在main函数中将a和b的地址传递给Swap函数，Swap函数里边通过地址间接的操作main函数中的a和b，并达到交换的效果

void Swap2(int*px, int*py)
{int tmp = 0;tmp = *px;*px = *py;*py = tmp;
}
int main()
{int a = 0;int b = 0;scanf("%d %d", &a, &b);printf("交换前：a=%d b=%d\n", a, b);Swap2(&a, &b);printf("交换后：a=%d b=%d\n", a, b);return 0;
}

打印：

10 20
交换前：a=10 b=20
交换后：a=20 b=10

成功交换了。

这里调用Swap2函数的时候是将变量的地址传递给了函数，这种函数调用方式叫：传址调用。

传址调用，可以让函数和主调函数之间建立真正的联系，在函数内部可以修改主调函数中的变量。

所以未来函数中只是需要主调函数中的变量值来实现计算，就可以采用**传值调用**。

如果函数内部要修改主调函数中的变量的值，就需要**传址调用**。