指针

一、指针的基本概念

变量的地址

获取 变量在内存中的 起始地址，使用 &变量名。

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int a;
cout << (void*)&a << '\n';       // 十六进制
cout << (long long)&a << '\n';   // 十进制

指针变量

简称 指针，存放 变量在内存中的起始地址，使用 数据类型* 变量名，数据类型* 也是一种数据类型，即 x 型指针。

对指针赋值

使用 指针 = &地址，称为指向某变量，被指向的类型称为基类型。

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int a;
int* pa = &a;
cout << (long long)&a << '\n';
cout << (long long)pa << '\n';
// 以上两行的输出结果相同

二、使用指针

注意：声明指针变量后必须初始化。

* 运算符（即 解引用）用于获得该地址的内存中存储的值。

变量和指向变量的指针就像是同一枚硬币的两面，即 &a 与 pa 相同，表示的是地址；a 与 *pa 相同，表示的是变量的值。

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int a = 8;
int* pa = &a;
cout << a << '\n';   // 8
cout << *pa << '\n'; // 8
*pa = 6;
cout << a << '\n';   // 6
cout << *pa << '\n'; // 6

对于普通变量，系统在内部跟踪该内存单元；对于指针变量，系统直接访问该内存单元。

三、指针用于函数的参数

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void fun(int *a) {
    *a = 6;
}

int main() {
    int a = 8;
    fun(&a);
    cout << a; // 6
}

在函数中修改地址，将修改变量的值，称为 传址。除此之外，可以减少内存拷贝，提升性能。

四、用 const 修饰指针

常量指针

const 数据类型* 变量名，不能解引用以修改内存地址的值，但可以修改指向的变量。

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int a = 8, b = 6;
const int* pa = &a;
*pa = 6;   // Error
*pa = b;   // OK

应用：一般用于修饰函数的形参，表示不希望在函数里修改内存地址中的值。

指针常量

数据类型* const 变量名，指向的变量不能改变，但可以解引用以修改内存地址的值。

应用：一般无用。

常指针常量

const 数据类型* const 变量名，指向的变量不能改变，也不能解引用以修改内存地址的值。

应用：一般无用。

五、void 关键字

函数的形参用 void*，表示接受数据类型的指针，如 memset() 中第一个参数。

注意：不能对 void* 指针直接解引用，需要先转换成其它类型的指针。

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void fun(void* p) {
    cout << p << '\n';
    cout << *p << '\n';         // Error
    cout << *(char*)p << '\n';  // OK
}
int main() {
    int a = 80;
    char c = 'X';
    fun(&a);
    fun(&b);
}

六、动态分配内存

内存空间

地址从低到高依次为：代码段（可执行代码、常量区）、数据段（全局变量和静态变量）、堆（动态开辟内存的变量，内存很大，需手动管理）、栈（很小，局部变量、函数参数和返回值）、内核空间。

动态分配内存

申请内存：int* p = new 数据类型(初始值)；

释放内存：delete 地址。

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int* p = new int(5);
cout << *p << '\n';
delete p;

七、二级指针

指针用于存放普通变量的地址，二级指针用于存放指针变量的地址，使用 数据类型** 指针名。

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int a = 8;
cout << &a << '\t' << a << '\n';
int* pa = &a;
cout << &pa << '\t' << pa << '\t' << *pa << '\n';
int** ppa = &pa;
cout << &ppa << '\t' << ppa << '\t' << *ppa << '\t' << **ppa << '\n';
// output:
// 000000608ADFF474        8
// 000000608ADFF498        000000608ADFF474        8
// 000000608ADFF4B8        000000608ADFF498        000000608ADFF474        8

在函数中，如果传递普通变量的地址，形参用指针；传递指针的地址，形参用二级指针。

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void fun(int** pp) {
    *pp = new int(8);
    cout << pp << *pp << '\n';
    delete *pp;
}

int main() {
    int* p = NULL;
    fun(&p);
}

八、空指针

用 0 或 NULL 表示空指针（在 C++11 中有更安全的 nullptr），它指向空，不能解引用。

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int* p = nullptr;
cout << *p << '\n';  // Error

为避免程序崩溃，应当判断函数形参是否为空。

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void fun(int *a) {
    cout << *a;
}
int main() {
    int* p = nullptr;
    fun(p);
}
// return ugly

void fun(int *a) {
    if (a == 0) return;
    cout << *a;
}
int main() {
    int* p = nullptr;
    fun(p);
}
// OK

九、无效指针

访问无效的指针可能造成程序崩溃，可能原因有：

  • 手动赋值；

  • 未初始化；

  • 释放内存后指针失效：

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    int* p = new int(8);
    cout << *p << '\n';
    delete p;
    cout << *p << '\n';
    // return ugly

  • 变量的内存空间已被回收（让指针指向局部变量，将局部变量的地址作为返回值赋给指针）：

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    int* fun() {
        int a = 8;
        return &a;
    }
    int main() {
        int p = fun();
        cout << *p << '\n';
    }
    // return ugly

规避方法：

  • 定义时初始化为空；
  • 释放内存后，置为空；
  • 函数不返回局部变量的地址。

十、一维数组和指针

指针的算术

指针变量加 1，增加量等于 sizeof 数据类型。

数组的地址

数组在内存中占用的空间是连续的，数组的地址即数组的第 0 个元素的地址：

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int a[5] = { 1, 2, 3, 5, 8 };
cout << (long long)a << '\n';
cout << (long long)&a << '\n';
cout << (long long)&a[0] << '\n';

数组的第nn 个元素的地址是 数组首地址 + n，编译器将 a[1] 解释为 *(a + 1)。

使用 sizeof 数组名，得到的是整个数组占用内存空间的字节数。

十一、一维数组用于函数的参数

指针的数组表示

编译器将 数组名[下标] 解释为 *(数组名 + 下标)，将 指针[下标] 解释为 *(指针 + 下标)。

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int a[5] = { 1, 2, 3, 5, 8 };
cout << a[2] << '\n';
cout << *(a + 2) << '\n';
int* p = a;
cout << *(p + 2) << '\n';
cout << p[2] << '\n';

于是：

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int a[5] = { 1, 2, 3, 5, 8 };
cout << a[2] << '\n';         // 3
cout << (&a[2])[0] << '\n';   // 3
cout << (&a[2])[1] << '\n';   // 5
int* p = &a[2];
cout << p[0] << '\n';         // 3
cout << p[1] << '\n';         // 5

又：

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char a[20];
int* p = (int*)a;
for (int i = 0; i < 5; ++i) {
    p[i] = i + 3427;
}
for (int i = 0; i < 5; ++i) {
    cout << *(p + i) << '\n';
} // 3427 3428...

表明，内存指定了操作方法，但可通过修改指针类型改变操作内存的方法。

一维数组用于函数的参数

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void fun(int* p, int len);
void fun(int p[], int len);

传参时，必须指定数组的长度。因为在函数内，使用 sizeof a 获取的是指针占用内存空间的字节数（8 字节），而不是数组的。

十二、动态创建一维数组

在堆上分配内存。

申请内存：int* a = new 数据类型[数组长度]；

释放内存：delete[] 指针。

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int* a = new int[8];
for (int i = 0; i < 8; ++i) {
    a[i] = i;
}
for (int i = 0; i < 8; ++i) {
    cout << a[i] << '\n';
}
delete[] a;

注意：

  • 动态创建的数组没有数组名，使用 sizeof 运算符得到的是指针占用内存空间的字节数。

  • 为避免申请失败造成程序崩溃，使用

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    int* a = new(std::nothrow) int[8];
    if (a == nullptr) {
        cout << "Ugly";
        return;
    }
    a[5] = 8;
    delete[] a;

十三、二维数组用于函数的参数

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int* p; // 整型指针
int* p[3]; // 一维整型指针数组，元素是三个整型指针
int* p(); // 函数 p 的返回值类型是整型的地址
int (*p)(int, int); // p 是函数指针，返回值是整型

行指针（数组指针）

数据类型 (*行指针名)[行的大小]; 用于指向数组长度为 行的大小 的 数据类型 型数组。

一维数组名被解释为数组第 0 个元素的地址，对一维数组名取地址得到的是数组的地址，即行地址。

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int a[10];
cout << a << '\n';
cout << &a << '\n';
cout << a + 1 << '\n'; // 地址增量为4
cout << &a + 1 << '\n'; // 地址增量为40

int* p1 = a;
int (*p2)[] = &a;

二维数组名是行地址

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int a[2][3] = {{ 2,3,5 }, { 3,5,8 }};
int (*p)[3] = a;

二维数组 a 有 2 个元素，每个元素是一个数组长度为 3 的整型数组。

a 被解释为数组长度为 3 的整型数组类型的行地址。

(*p)[3] 是数组长度为 3 的整型数组类型的行指针。

二维数组用于函数的参数

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void fun(int (*p)[3], int len);
void fun(int p[][3], int len);

十四、多维数组

多维数组

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int a[2][3][4];
int (*p)[3][4] = a;

三维数组 a 有 2 个元素，每个元素是一个 3 行 4 列的整型二维数组。

a 被解释为 3 行 4 列的整型二维数组类型的行地址。

(*p)[3][4] 是 3 行 4 列的整型二维数组类型的行指针。

多维数组用于函数的参数

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void fun(int (*p)[3][4], int len);
void fun(int p[][3][4], int len);

十五、函数指针与函数回调

把函数的地址作为参数传递给函数，可以在函数中灵活调用其它函数。

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void fun(int n) {

}
int main() {
    int a = 8;
    fun(a);
    void (*pfun)(int);
    pfun = fun;
    (*pfun)(a); // C 语言写法
    pfun(a); // C++ 写法
}

应用：

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void fun1(int a) {
    cout << a;
}
void fun2(int a) {
    cout << a * a;
}
void fun(void (*pfun)(int), int b) {
    int c = 6;
    pfun(c);
}
int mian() {
    fun(fun1, 3);
    fun(fun2, 4);
}