C++ 指针学习笔记

2023-11-17 19:27 由 buzzhou 发表于 #后端开发

C++ 指针学习笔记

引入

指针是什么

指针是一个变量，其值为另一个变量的地址。

指针声明的一般形式为：

type *ptr_name;

type 是指针的基类型，ptr_name 是指针的名称，* 用来指定一个变量是指针

对于一个指针，需要明确四个方面的内容：指针的类型、指针所指向的类型、指针的值（指针所指向的内存区）、指针本身所占据的内存区。

指针的类型

从语法的角度看，只要把指针声明语句里的指针名字去掉，剩下的部分就是这个指针的类型。这是指针本身所具有的类型：

int *ptr; // int*
char *ptr; // char*
int **ptr; // int**
int (*ptr)[3]; // int(*)[3]
int *(*ptr)[4]; // int*(*)[4]

指向类型

所指向对象的类型

指针所指向对象的类型一般被称为 指针的类型

从语法上看，只须把指针声明语句中的指针名字和名字左边的指针声明符 * 去掉，剩下的就是指针所指向的类型：

int *ptr; // int
char *ptr; // char
int **ptr; // int*
int (*ptr)[3]; //int ()[3]
int *(*ptr)[4]; //int *()[4]

间接访问

在用指针间接访问时，指针所指向的类型决定了编译器如何看待那片内存区中的内容：

char *ptr = &a;
// 假设 p 指向的地址为 4000，那么编译器默认 ptr 指向的是 4000 这一个字节的内容
int *ptr = &a;
// 编译器会认为 ptr 所指向的对象是由 4000, 4001, 4002, 4003 四个字节共同组成
double *ptr = &a;
// 编译器会认为 ptr 所指向的对象是由 4000 ~ 4007 八个字节共同组成

指针的算术运算

指针的类型影响指针的算术运算，如对于 p + 1 ，系统会将指针 p 的值加上 sizeof(type)

指针的值（指针所指向的内存区或地址）

指针的值是指针本身存储的数值，这个值被编译器视作一个地址。

指针所指向的内存区以指针的值为起始地址，长度为 sizeof(type) 的一片内存区。

指针本身所占据的内存区

字节长度为 sizeof(p)

指针的定义

初始化和赋值

指针的初始化和赋值只能使用一下四种值：

0 及 NULL
相同指向类型的对象的地址

空指针：`NULL` 和 `nullptr`

NULL 指针是一个定义在标准库中的值为 0 的常量。

在变量声明的时候，如果没有确切的地址可以赋值，为指针变量赋一个 NULL 值是一个良好的编程习惯。赋为 NULL 值的指针被称为 空指针。

int *ptr = NULL;
// or C++11 前
int *ptr = 0;

需要注意的是，在 C++11 之前，C++ 和 C 一样使用 NULL 宏表示空指针常量，C++ 中 NULL 的实现一般如下：

// C++11 前
#define NULL 0

但是空指针和整数 0 的混用会导致很多问题，比如：

int myFunction(int var);
int myFunction(int *ptr);

在调用 myfunction(NULL) 时，实际调用的函数类型是 int(int) 而不是 int(int *)。

C++11 中引入 nullptr 关键字作为空指针常量，且规定 nullptr 可以隐式转换为任何指针类型，转换结果为该结果的空指针值。

nullptr 的类型为 std::nullptr_t，称为空指针类型，可能实现如下：

namespace std {
typedef decltype(nullptr) nullptr_t;
}

另外，C++11 其 NULL 的宏定义也修改为：

// C++11 起
#define NULL nullptr

C 语言中，C23 也引入了 nullptr 作为空指针常量，同时引入 nullptr_t 作为其类型。

指针的 `const` 限定

指向只读型对象的指针必须有 const 限定，称为 指向 const 对象的指针，定义形式为：

const type *ptr_name;

把只读型对象的地址赋值给 非指向 const 对象的指针 是错误的；

可以把非只读型对象的地址赋值给 指向 const 对象的指针，但不能通过 指向 const 对象的指针 间接修改指向对象；

实际编程过程中，指向 const 的指针 常用作函数的形参，以此确保传递给函数的参数对象在函数中不能被修改。

`const` 指针

只读型指针（或 常量指针）的定义为：

type* const ptr_name;

需要注意的是 const 放在变量名前，与指向 const 对象的指针定义形式不同。

不能改变只读型指针的值，但是可以通过只读型指针间接修改指向对象

指针的运算

指针的算术运算

指针的四种算术运算：+, -, ++, --

指针算术运算会根据指针所指向的类型和大小来决定移动的距离，即

执行 ptr++ 或 ptr-- 后，指针 ptr 的值会增加 sizeof(type)，指向下一个该类型元素的地址。

指针的比较

指针可以用关系运算符 ==, <, > 进行比较。

两个相比较的指针所指向的类型应当相同，即指向相关变量。

指针与指针之间的减法运算

可以计算两个指针之间的距离，指针间减法运算的值即为指针地址的差值除以 sizeof(type)。可以计算两指针之间的距离。

指针之间没有加法运算。

指针与数组

数组与指针

C++ 规定数组名即代表 数组本身，又代表 整个数组的地址，还是 数组首元素的地址。即，声明一个数组

type array[N];

那么数组名 array 就有了两重含义：

array 代表整个数组，类型为 type[N]；
array 是一个 常量指针，类型为 type*，指向内存区为数组首元素。

注意该指针占有单独的内存区，与数组首元素占据的内存区不同。

不同表达式中数组名有不同含义：

sizeof(array); // 代表数组本身，sizeof(array) 为数组定义的字节 (bytes) 数，即 N * sizeof(type)
*arrray; // 代表指针，值为 array[0] 即首元素的值
sizeof(*array); // 值为数组单元的大小，即 sizeof(type)
array + k; // 代表指针，类型为 type*，指向的类型为 type 即数组的第 n 个元素
sizeof(array + k); // 值为指针类型的大小，即 sizeof(type*)

指针与一维数组

定义（指向一维数组的指针）

定义指向一维数组的指针变量时，指向类型应与数组元素类型一致：

int array[N];
int *ptr = &array;
int *ptr = array;
int *ptr = *array[0];
// 根据数组名的性质，以上三种定义防止等价，指针 ptr 的值都为数组首元素的地址
int *ptr = *array[k];
// 也可以将数组某一元素的地址赋值给指针

一维数组的访问方式

由于数组的元素地址是规律性增加的（连续的），根据指针算术运算规律，可以利用指针及其算术运算来访问数组元素。

参照定义中的声明，以下访问 array[i] 的方式等价：

数组下标法：array[i]
指针下标法：ptr[i] （指针 ptr 的值为数组首元素的地址，此时 ptr 和数组名等价）
地址引用法：*(array + i)
指针引用法：*(ptr + i)

定义 int array[N], *ptr = array;，需注意 ptr 和数组名 array 并不完全等价。

比如由于 array 是一个常量指针，所以不允许修改，如 array ++ 是不正确的语法。

遍历一维数组

首先定义 int array[N];

以下为遍历一维数组的几种方式：

下标法：

for (int i = 0; i < N; ++ i)
    array[i];

通过地址间接访问：
```
for (int i = 0; i < N; ++ i)
    *(array + i)
```
以上两种方法似乎等价（？），笔者并未严格考究。
指针访问法：
```
for (int *p = array; p < a + N; ++ p)
    *p;
```
用指针作为循环变量（利用了指针的比较），优点是指针直接指向元素，无须重新计算地址，能提高运行效率。

以下访问方式与前两种等价
```
int *p = array;
for (int i = 0; i < N; ++ i)
    *(p + i);
```

指针与二维数组

数组的数组

定义二维数组

int array[N][M];

那么，数组名 array 代表二维数组首元素的起始地址，注意 首元素 并非整型，而是由 N 个整型元素构成的一维数组。即一下表达等价：

array;
array[0];
array + 0;
*array;

此时 a[k] 即是一维数组的数组名。

定义（指向二维数组的指针）

二维数组定义如上。

int (*ptr)[M] = array;

注意此时 ptr 指向的是二维数组中的首元素（一维数组 array[0]），ptr ++ 则是将 ptr 指向 array[1]（而不是 array[0][1]）。

二维数组的访问方式

二维数及指针定义如上，以下访问方式等价：

a[i][j];
*(a[i] + j);
*(*(a + i) + j);
*(*(ptr + i) + j);

指针数组

声明方式为：

type *ptr[N];
// 在 C++ 中，[] 的优先级高于 *，所以 ptr 会先与 [] 结合；
// 此处 ptr 为一个数组，类型为 type **，数组的元素为类型为 type* 的指针
type *(ptr[N]);
// 两种写法等价

指向指针的指针（多级间接寻址）

声明方式为：

type **ptr_name;

定义以下二级指针：

int var;
int *ptr = &var;
int **pptr = &ptr;

此时 pptr 的值为 ptr 的地址，如需通过 pptr 间接访问 var，则需要两个星号，即 **pptr。

指针与结构类型

可以声明一个指向结构类型对象的指针：

struct Struct_name {
    member_type1 member_name1;
    member_type2 member_name2;
    member_type3 member_name3;
} object_name;
struct Struct_name *ptr = &object_name;

访问成员变量的方式如下：

```
ptr -> member_name1;
```
```
(*ptr).member_name1;
```
```
*ptr;
*(ptr + k);
```
注意第三种访问方式是不正规的，这是因为某些情况下，结构对象的相邻成员变量间可能会有若干“填充字符”（如字对齐、双字对齐等，即成员变量的内存地址不连续）。

指针与函数

传递指针给函数

C++ 允许传递指针给函数，只需要声明函数参数为指针。

传递指针给函数，大致有如下用法：

函数内通过指针间接访问或修改指针所指向的对象；
通过 const 限定的指针防止函数内修改指针所指向的对象；

传递数组给函数，如

int myFunction(int *arr) {
    for (int i = 1; i < N; ++ i)
        arr[i];
   	// 此时 arr 就是指向一维数组的指针
}
int main() {
    int arr[N];
    myFuntion(arr);
    return 0;
}

从函数返回指针

C++ 允许从函数返回指针，需要声明函数的返回值为指针类型：

int * myFuntion() {
	//   
}

注意，C++ 不支持在函数外返回局部变量的地址，除非定义局部变量为 static 变量。

以下程序生成 N 个随机数，并返回表示指针的数组名（数组首元素的地址）：

#include <iostream>
#include <ctime>
#include <cstdlib>

using namespace std;

#define N 10

int * getRandom() {
    static int r[N];
    // 注意不能在函数外返回局部变量的地址，所以需要定义 r 为 static 变量
    srand((unsigned)time(NULL));
    for (int i = 0; i < N; ++ i)
        r[i] = rand();
   	return r;
}

int main() {
    int *ptr = getRandom();
    return 0;
}

指向函数的指针

函数指针的声明如下：

int myFuntion(char *, int) {}

int (*ptr)(char *, int);
int var = *ptr("Hello", k);
// 通过函数指针调用函数

可以通过函数指针实现动态调用函数，同时函数指针也可做作为函数的参数。

指针与字符串

通过字符型指针来处理字符串，其过程与通过指针访问数组元素相同。

定义方式如下：

char *ptr = "Hello World!";
// 初始化定义指向字符常量回导致编译器警告
char str = "Hello World!";
char *ptr = str;

也可以定义一个指针数组存储多个字符串：

char *str[4] = { "Hello", "World", "!" };

用指针遍历字符串：

char str[] = "Hello World!", *ptr = str;
while (*p) cout << *p++;
// 字符串结束表示符 '\0' ASCALL 码为 0，或用以下方式判断结束
while (*p != '\0') cout << *p++;

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指针本身所占据的内存区

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初始化和赋值

空指针：NULL 和 nullptr

指针的 const 限定

const 指针

指针的运算

指针的算术运算

指针的比较

指针与指针之间的减法运算

指针与数组

数组与指针

指针与一维数组

定义（指向一维数组的指针）

一维数组的访问方式

遍历一维数组

指针与二维数组

数组的数组

定义（指向二维数组的指针）

二维数组的访问方式

指针数组

指向指针的指针（多级间接寻址）

指针与结构类型

指针与函数

传递指针给函数

从函数返回指针

指向函数的指针

指针与字符串

空指针：`NULL` 和 `nullptr`

指针的 `const` 限定

`const` 指针