突破编程_C++_基础教程（指针（一））

1 指针的基础概念

指针是 C++ 的核心之一，使用 C++ 语言构建的程序之所以性能强悍，有很大部分原因是体现在使用指针直接操作内存。当然这样的工具是一把双刃剑，错误的指针操作可能会导致程序崩溃或者数据损坏。
指针主要有四个方面的用途：
（1）动态内存分配：使用 new 操作符在堆上分配内存。
（2）传递数据：通过指针传递大型数据对象可以显著提高程序的效率（比如使用指针作为函数参数）。
（3）回调函数：指针可以用于传递函数的地址，函数式编程正是建立在这个功能的基础上。
（4）优化性能：指针可以直接访问内存，避免了一些额外的开销，如复制数据或者查找数据等。
指针本身是一个变量，其值为另一个变量的内存地址，因此，要掌握指针的原理与作用，需要从理解内存地址开始。

1.1 内存地址

内存地址是指计算机内存中存储变量或对象的地址。内存空间大小就是寻址能力，即能访问到多少个地址，比如 32 位机器内存空间大小就是 2^32 = 4294967296，也就是 4 GB 。每个变量或对象在内存中都有一个唯一的地址，通过该地址可以访问和操作该变量或对象。注意一个内存地址对应一个字节，以 int 类型的变量为例，其占据 4 个内存地址，其中首个内存地址就是这个变量的地址。

#include <iostream>int main()
{int vals[4]{};printf("val1 address = %p\n", &vals[0]);printf("val2 address = %p\n", &vals[1]);printf("val3 address = %p\n", &vals[2]);printf("val4 address = %p\n", &vals[3]);return 0;
}

上面代码的输出为：

val1 address = 0000005420F6F978
val2 address = 0000005420F6F97C
val3 address = 0000005420F6F980
val4 address = 0000005420F6F984

为了能够说明 1 个 int 类型的变量占据 4 个内存地址，我们在上面的代码中使用占据连续内存的数组来做测试，由这个输出可以看出：数组 vals 的第一个元素所占据的内存地址由 0000005420F6F978 到 0000005420F6F97B （再往下的一个地址就是第二个元素的首地址 0000005420F6F97C），刚好是 4 个内存地址，其首个内存地址 0000005420F6F978 就是这个数组 vals 的第一个元素的地址（同时也是这个数组变量 vals 的地址）。

1.2 指针是什么

指针是一种变量，它存储的是其他变量的内存地址。通过指针，我们可以间接地访问和操作存储在内存中的变量。
由这个定义可知，指针既然是一个变量，那么它本身也需要占用内存，即有自己对应的内存地址。如下为样例代码（ x64 平台编译）：

#include <iostream>int main()
{void* ptr = nullptr;printf("ptr address = %p\n", &ptr);printf("ptr address size = %llu\n", sizeof(ptr));printf("ptr value = %p\n", ptr);return 0;
}

上面代码的输出为：

ptr address = 000000196B5CF678
ptr address size = 8
ptr value = 0000000000000000

其中，指针 ptr 虽然指向的是一个空地址，但是其作为一个变量，依然有自己的内存地址（000000788E9AF638）。另外，ptr address size = 8 表明使用 x64 平台编译时，指针所占用的内存大小为 8 个字节（ 32 位平台编译是 4 个字节），刚好可以保存一个内存地址，这就是指针能够存储其他变量的内存地址的原理。

2 指针的基本使用

指针是一种变量，所以在使用前和其他类型变量一样，也需要定义与初始化：指针变量定义时前面会有一个星号（*）。例如，int *ptr; 意思是定义了一个指向整数的指针。指针变量在使用之前必须被初始化，否则其值是未定义的，这个时候指向的是一个随机的内存地址，对其操作很容易引起程序崩溃。通过在指针变量前加上星号（*）可以访问指针所指向的对象，相当于操作这个对象本体。

2.1 指针的定义与初始化

指针的定义和初始化可以通过以下方式完成：

#include <iostream>int main()
{int val = 1;			// 定义一个整型变量 val，并初始化为 1  int *ptr = &val;		// 定义一个指向整型的指针 ptr，并将它初始化为变量 val 的地址printf("val address = %p\n", &val);printf("ptr address = %p\n", &ptr);printf("ptr value = %p\n", ptr);return 0;
}

上面代码的输出为：

val address = 00000035076FFCB4
ptr address = 00000035076FFCD8
ptr value = 00000035076FFCB4

其中，指针 ptr 的值等于整型变量 val 的地址。第 6 行 int *ptr = &val; 中的 & 符号是取地址符，用于获取变量的内存地址。基本类型（ int 、float 等）、结构体类型（ struct ）以及类类型（ class ）的地址获取都需要使用该符号。

2.2 解引用

*操作符是 C++ 的解引用操作符，用于获取指针所指向的对象，对其操作相当于对指针所指向对象的操作：
指针的定义和初始化可以通过以下方式完成：

#include <iostream>int main()
{int val1 = 1;	int *ptr = &val1;	*ptr = 2;					//该表达式相当于 val1 = 2;	int val2 = *ptr;			//该表达式相当于 int val2 = val1;	printf("val1 = %d\n", val1);printf("val2 = %d\n", val2);return 0;
}

上面代码的输出为：

val1 = 2
val2 = 2

其中，*ptr 在上面程序的运行过程中就是整型变量 val1 ，不管是对其做赋值操作（*ptr = 2;），还是将其用于其他变量的初始化（int val2 = *ptr;），都相当于直接操作整型变量 val1 自身。对于结构体和类，一般是使用箭头操作符 -> 来操作对象的成员变量或者成员函数，但是根据前面所描述的解引用概念，使用解引用操作符也可以起到相同作用：

#include <iostream>
#include <string>using namespace std;class Student
{
public:Student() {};Student(string name):m_name(name) {};~Student() {};public:string getName(){return m_name;}private:string m_name;
};int main()
{Student st("zhangsan");Student *ptr = &st;string name1 = st.getName();string name2 = ptr->getName();string name3 = (*ptr).getName();		//使用解引用操作符return 0;
}

注意上面的语句 string name3 = (*ptr).getName();，同样可以调用对象 st 的成员函数。只是由于 C++ 提供了更方便的箭头操作符 -> ，所以一般我们才不会如此使用。

2.3 指向数组的指针

指向数组与上面章节的指向基本类型（ int 、float 等）、结构体类型（ struct ）以及类类型（ class ）的使用方式有所不同，数组名本身就是数组的首地址，所以无需做取地址操作，如下为样例代码：

#include <iostream>int main()
{int vals[6] = { 1,2,3,4,5,6 };printf("%p \n", vals);printf("%p \n", &vals);int* ptr = vals;for (size_t i = 0; i < 6; i++){printf("%d ", *(ptr+i));}return 0;
}

上面代码的输出为：

vals address = 000000C03976F8C8
&vals address = 000000C03976F8C8
1 2 3 4 5 6

从上面输出可以看出，数组名 vals 与对数组名取地址 &vals 所得到的内存地址是一样的，所以如果用指针指向某个数组，直接将数组名赋值给指针即可。第 13 行 printf("%d ", *(ptr+i)); 中的 *(ptr+i) 是指针的运算，在下面章节会详细讲解。
指针不光可以指向整个数组，还可以指向数组中的某一个元素，如下：

#include <iostream>int main()
{int vals[6] = { 1,2,3,4,5,6 };printf("before modification, vals[2] = %d \n", vals[2]);int* ptr = &vals[2];			//指向的数组第 3 个元素*ptr = 10;		//将其所指向的数组第 3 个元素的值修改为 10printf("after modification, vals[2] = %d \n", vals[2]);return 0;
}

上面代码的输出为：

before modification, vals[2] = 3
after modification, vals[2] = 10

注意第 10 行 int* ptr = &vals[2]; 这里是指向数组里面的一个整型元素，所以一定要用取地址操作符。

2.4 指向函数的指针

C++中的函数也有地址（调用函数的本质就是跳转到这个函数的地址，然后执行里面的函数体）。因此，可以声明指向函数的指针，并使用这个指针调用函数。指向函数的指针也被称作是函数指针，其定义方式为：

函数返回值类型 (`*` 指针变量名) (函数参数列表);

函数返回值类型：表示该指针变量所指向函数的返回值类型。
指针变量名：表示该指针变量的名称。
函数参数列表：表示该指针变量所指向函数的参数列表。
为了使用方便，一般会用关键字 typedef 来定义函数指针，即：typedef 函数返回值类型 (* 指针变量名) (函数参数列表) 。例如：

typedef int (*ADD)(int,int);
ADD addFunc;

使用这种方式可以目标函数看作为一个类型，然后再用它去定义指针，增强复用性。
对于无参数或者无返回值的函数，需要使用用 void 关键字，例如：

typedef void (*TESTFUNC)(void); 	//无参数和返回值

2.4.1 指向全局函数的函数指针

以如下代码为例：

#include <iostream>int add(int a, int b)
{int sum = a + b;return sum;
}int main()
{typedef int(*ADDFUNC)(int, int);ADDFUNC f1 = add;int sum1 = f1(1, 2);			//直接使用函数名int sum2 = (*f1)(1, 2);			//取函数地址printf("sum1 = %d\n",sum1);printf("sum2 = %d\n", sum2);return 0;
}

上面代码的输出为：

sum1 = 3
sum2 = 3

特别注意的是，因为函数名本身就可以表示该函数地址（指针），因此在获取函数指针时，可以直接用函数名，也可以取函数的地址。因此，上面代码中 int sum1 = f1(1, 2); 以及 int sum2 = (*f1)(1, 2); 作用是相同的。

2.4.2 指向对象成员函数的函数指针

以如下代码为例：

#include <iostream>class MyAdd 
{
public:MyAdd() {}~MyAdd() {}public:int add(int a, int b){int sum = a + b;return sum;}};int main()
{MyAdd myAddObj;typedef int(MyAdd::*ADDFUNC)(int, int);ADDFUNC f1 = &MyAdd::add;int sum = (myAddObj.*f1)(1, 2);printf("sum = %d\n", sum);return 0;
}

上面代码的输出为：

sum = 3

注意：对象的成员函数属于类，所以其存储位置在对象外的空间中，由所有的类对象共享。因此， MyAdd 类中的 add() 成员函数，不是属于 myAddObj 对象的，而是属于 MyAdd 类。所以使用 &类名::成员函数名 的形式将该成员函数赋给函数指针。

2.4.3 回调函数

回调函数是函数指针的一个重要应用场景，比如在使用 C++ 的容器类时，经常会自定义回调函数用以实现定制化功能。以 vector 的自定义排序为例，代码如下：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>using namespace std;struct Student 
{string id;double score;
};bool compareByScore(Student& stu1, Student& stu2)
{return stu1.score < stu2.score;
}int main()
{vector<Student> students;students.emplace_back(Student{ "s1",98.2 });students.emplace_back(Student{ "s2",97.6 });students.emplace_back(Student{ "s3",92.8 });students.emplace_back(Student{ "s4",95 });students.emplace_back(Student{ "s5",99 });printf("before sort\n");for (size_t i = 0; i < students.size(); i++){printf("%s(%lf) ", students[i].id.c_str(), students[i].score);}printf("\n");sort(students.begin(), students.end(), compareByScore);printf("after sort\n");for (size_t i = 0; i < students.size(); i++){printf("%s(%lf) ", students[i].id.c_str(), students[i].score);}printf("\n");return 0;
}

上面代码的输出为：

before sort
s1(98.200000) s2(97.600000) s3(92.800000) s4(95.000000) s5(99.000000)
after sort
s3(92.800000) s4(95.000000) s2(97.600000) s1(98.200000) s5(99.000000)

其中，函数 compareByScore 便作为一个函数指针的入参传递给函数 sort 。

2.4.4 函数指针和指针函数的区别

函数指针和指针函数是两种不同的编程概念，前者是一个指针，后者是一个函数，除了名字比较容易混淆，实际上是完全不同的概念。
上面内容已经说明了函数指针的含义与作用，指针函数的定义如下：
（1）指针函数本身就是一个函数，其返回的类型是指针。
（2）指针函数用于返回指针类型的值，例如动态分配的对象或数组的指针。

2.5 指向指针的指针

指针可以指向所有数据类型的变量（基本类型、结构体类型、类类型等），而指针自身也是一种变量，所以指针自然也可以指向指针。把指向指针的指针理解透彻，基本上也就能掌握了指针的精髓。如下为样例代码：

#include <iostream>int main()
{int val1 = 1;int *ptr1 = &val1;int **ptr2 = &ptr1;printf("ptr1 address = %p\n", &ptr1);printf("ptr1 address = %p\n", &(*ptr2));printf("ptr2 value = %p\n", ptr2);return 0;
}

上面代码的输出为：

ptr1 address = 000000C4A839F758
ptr1 address = 000000C4A839F758
ptr2 value = 000000C4A839F758

由结果可以看出，指向指针的指针变量 ptr2 保存了指针变量 ptr1的地址（ 000000C4A839F758 ）。其中代码第 10 行 int **ptr2 = &ptr1; 定义了一个指向指针的指针，这里用了两个星号*，其保存的值就是指针变量 ptr1的地址。
第 11、 12、 13 行代码尤为重要：
第 11 行代码 printf("ptr1 address = %p\n", &ptr1); ，其中的 &ptr1 是对指针变量 ptr1 做取地址操作。
第 12 行代码 printf("ptr1 address = %p\n", &(*ptr2)); ，其中的 (*ptr2) 是对指针变量 ptr2 做解引用操作，再对其做取地址操作，相当于直接对指针变量 ptr1 做取地址操作。
第 13 行代码 printf("ptr2 value = %p\n", ptr2); ，对指向指针的指针取值，直接用其变量名即可。

2.6 创建动态内存

使用指针可以在堆中创建内存空间（先在堆中申请一块内存空间，然后将其首地址返回给一个指针，后面通过该指针便可读写这一块内存），其创建和销毁过程都需要手动控制。 C++ 使用 new 或者 new[] 操作符在堆中创建一块内存空间，使用 delete 或者 delete[] 释放这块申请的内存空间。如下：

int* ptr = new int;

这一行代码定义了一个指向整型的指针变量 ptr ，并且使用 new 操作符在堆中创建一个 int 类型的内存空间，并将该空间首地址返回指针变量 ptr 。
如果想将这个内存空间赋值为 1 ，可以做如下操作：

*ptr = 1;

在使用完这个内存空间后，一定要将其释放（避免内存泄露），并且将指针变量 ptr 赋值 nullptr（避免悬垂指针，它所指向的内存空间已经被释放）：

delete ptr;
ptr = nullptr;

注意释放的操作不能再次执行，如果再做一次 delete ptr; 则会导致程序崩溃。

2.7 指针的运算

指针为什么一定要定义类型（即使无类型，也需要使用 void 做定义），这个要求的一个来源就是指针运算需要按照类型做处理：

#include <iostream>int main()
{int val1 = 1;short val2 = 2;int *ptr1 = &val1;short *ptr2 = &val2;printf("before adding, ptr1 value = %p\n", ptr1);printf("before adding, ptr2 value = %p\n", ptr2);ptr1++;ptr2++;printf("after adding, ptr1 value = %p\n", ptr1);printf("after adding, ptr2 value = %p\n", ptr2);return 0;
}

上面代码的输出为：

before adding, ptr1 value = 0000000BBC54F614
before adding, ptr2 value = 0000000BBC54F634
after adding, ptr1 value = 0000000BBC54F618
after adding, ptr2 value = 0000000BBC54F636

从上面代码运行的结果可以看出：不同类型的指针变量，其运算的步长由其类型确定。 int 类型的指针变量，对其做 ++ 操作后，该变量的值增加了 4 ，指向下一个 int 变量。 short 类型的指针变量，对其做 ++ 操作后，该变量的值增加了 2 ，指向下一个 short 变量。

2.7.1 指针的加减运算

指针的加减运算通常用于对数组的操作，如下为样例代码：

#include <iostream>int main()
{int vals[6] = { 1,2,3,4,5,6 };int* ptr = vals;for (size_t i = 0; i < 6; i++){printf("%d ", *(ptr + i));}return 0;
}

上面代码的输出为：

1 2 3 4 5 6

上面代码的核心语句是 printf("%d ", *(ptr + i));，其中 ptr + i 是指向数组中的第 i 个元素的地址，再加上前面的星号 * ，则完成了对其的解引用操作，最终获取到了对应数组元素的值。

2.7.2 指针的赋值操作

指针的赋值操作也是一个在开发中常见的操作。其作用是将一个指针的值（这个值是内存中某一个变量的地址）赋给另一个指针。如下为样例代码：

#include <iostream>int main()
{int val1 = 1;int *ptr1 = &val1;int *ptr2 = ptr1;printf("ptr1 value = %p\n", ptr1);printf("ptr2 value = %p\n", ptr2);return 0;
}

上面代码的输出为：

ptr1 value = 0000006FCF3CFBC4
ptr2 value = 0000006FCF3CFBC4

赋值操作后，指针变量 ptr2 的值就等于指针变量 ptr1 的值。

3 使用指针的注意点

3.1 常量指针与指针常量

常量指针（const pointer）和指针常量（pointer to const）是两个不同的概念，常量指针指的是其指向变量的值不可改变，但是指针本身是可以改变的，可以指向其他变量；指针常量指的是指针本身是常量，其不可以再指向其他变量。
常量指针的样例代码：

const int val1 = 1;
int *ptr1 = &val1;			//错误：必须使用常量指针
const int *ptr1 = &val1;	//OK
*ptr1 = 2;

指针常量的样例代码：

int val1 = 1;
int val2 = 2;
int const *ptr1 = &val1;	//OK
*ptr1 = &val2;				//错误：指针本身是常量，其不可以再指向其他变量。

3.2 使用 nullptr

前面章节的代码中，多处使用了 nullptr 关键字，该关键字是在 C++11 标准中引入的，用于表示空指针。在 C++11 及以后的版本中，nullptr 替代了 C++98/03 中的 NULL 或 0 作为空指针的表示。该关键字可以避免函数重载问题，如下为样例代码：

void overLoadFunc(int* val);
void overLoadFunc(int val);int main()
{overLoadFunc( NULL );  // 期待调用 overLoadFunc(int* val); 但实际调用却是 overLoadFunc(int val);
}

上面代码中的 overLoadFunc( NULL ); 实际调用的是 overLoadFunc(int val); 。其原因是 NULL 本身就是整数 0 ，因此进入了整型参数的重载函数。

3.2 野指针出现的原因

野指针出现的原因主要有以下三种：
（1）指针变量未初始化。局部指针变量的默认值是一个随机值，如果此时访问该指针则会引起程序崩溃。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 nullptr ，要么让它指向合法的内存（ new 出来的对象或者现有的一个对象）。
（2）释放内存后没有将指针设置为 nullptr 。不管是 free 还是 delete 在释放内存时，只是把指针所指的内存给释放掉了，但此时指针的值依然是之前内存空间的首地址。此时访问该指针则会引起程序崩溃。
（3）指针操作超越变量作用范围。栈内存在函数结束时会被释放，如果将其内存地址通过指针返回给调用者，此时再访问则会引起程序崩溃。