C++ 指针学习笔记

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：

1. type *ptr_name;

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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：

1. int *ptr; // int*
2. char *ptr; // char*
3. int **ptr; // int**
4. int (*ptr)[3]; // int(*)[3]
5. int *(*ptr)[4]; // int*(*)[4]

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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：

1. int *ptr; // int
2. char *ptr; // char
3. int **ptr; // int*
4. int (*ptr)[3]; //int ()[3]
5. int *(*ptr)[4]; //int *()[4]

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• 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：

1. char *ptr = &a;
2. // 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
3. int *ptr = &a;
4. // 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
5. double *ptr = &a;
6. // 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

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• 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。

1. int *ptr = NULL;
2. // or C++11 前
3. int *ptr = 0;

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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：

1. // C++11 前
2. #define NULL 0

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但是空指针和整数 0 的混用会导致很多问题，比如：

1. int myFunction(int var);
2. int myFunction(int *ptr);

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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：

1. namespace std {
2. typedef decltype(nullptr) nullptr_t;
3. }

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另外，C++11 其 NULL 的宏定义也修改为：

1. // C++11 起
2. #define NULL nullptr

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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：

1. const type *ptr_name;

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• 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：

1. type* const ptr_name;

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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

1. type array[N];

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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：

1. sizeof(array); // 代表数组本身，sizeof(array) 为数组定义的字节 (bytes) 数，即 N * sizeof(type)
2. *arrray; // 代表指针，值为 array[0] 即首元素的值
3. sizeof(*array); // 值为数组单元的大小，即 sizeof(type)
4. 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
5. sizeof(array + k); // 值为指针类型的大小，即 sizeof(type*)

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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：

1. int array[N];
2. int *ptr = &array;
3. int *ptr = array;
4. int *ptr = *array[0];
5. // 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
6. int *ptr = *array[k];
7. // 也可以将数组某一元素的地址赋值给指针

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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 的方式等价：

• 数组下标法：array
  
• 指针下标法：ptr （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：
  1. for (int i = 0; i < N; ++ i)
  2.     array[i];

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• 通过地址间接访问：
  1. for (int i = 0; i < N; ++ i)
  2.     *(array + i)

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  以上两种方法似乎等价（？），笔者并未严格考究。
  
• 指针访问法：
  1. for (int *p = array; p < a + N; ++ p)
  2.     *p;

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  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
  1. int *p = array;
  2. for (int i = 0; i < N; ++ i)
  3.     *(p + i);

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指针与二维数组

数组的数组

定义二维数组

1. int array[N][M];

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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：

1. array;
2. array[0];
3. array + 0;
4. *array;

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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。

1. int (*ptr)[M] = array;

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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：

1. a[i][j];
2. *(a[i] + j);
3. *(*(a + i) + j);
4. *(*(ptr + i) + j);

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指针数组

声明方式为：

1. type *ptr[N];
2. // 在 C++ 中，[] 的优先级高于 *，所以 ptr 会先与 [] 结合；
3. // 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
4. type *(ptr[N]);
5. // 两种写法等价

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指向指针的指针（多级间接寻址）

声明方式为：

1. type **ptr_name;

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定义以下二级指针：

1. int var;
2. int *ptr = &var;
3. int **pptr = &ptr;

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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：

1. struct Struct_name {
2.     member_type1 member_name1;
3.     member_type2 member_name2;
4.     member_type3 member_name3;
5. } object_name;
6. struct Struct_name *ptr = &object_name;

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访问成员变量的方式如下：

• 1. ptr -> member_name1;

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• 1. (*ptr).member_name1;

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• 1. *ptr;
  2. *(ptr + k);

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  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
  1. int myFunction(int *arr) {
  2.     for (int i = 1; i < N; ++ i)
  3.         arr[i];
  4.            // 此时 arr 就是指向一维数组的指针
  5. }
  6. int main() {
  7.     int arr[N];
  8.     myFuntion(arr);
  9.     return 0;
  10. }

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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：

1. int * myFuntion() {
2.         //   
3. }

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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）：

1. #include <iostream>
2. #include <ctime>
3. #include <cstdlib>
5. using namespace std;
7. #define N 10
9. int * getRandom() {
10.     static int r[N];
11.     // 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
12.     srand((unsigned)time(NULL));
13.     for (int i = 0; i < N; ++ i)
14.         r[i] = rand();
15.            return r;
16. }
18. int main() {
19.     int *ptr = getRandom();
20.     return 0;
21. }

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指向函数的指针

函数指针 的声明如下：

1. int myFuntion(char *, int) {}
3. int (*ptr)(char *, int);
4. int var = *ptr("Hello", k);
5. // 通过函数指针调用函数

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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：

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

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第一种定义方式编译通过的原因是，字符字面量实际存储在静态存储区，是持久存在的。

也可以定义一个指针数组存储多个字符串：

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

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用指针遍历字符串：
[code]char str[] = "Hello World!", *ptr = str;while (*p) cout