C++复合类型总结(指针)

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C++复合类型总结(指针)

colleen 2018-07-15 19:39:00 浏览424
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引用是变量的别名,指针就是变量地址的别名。 与引用类似,指针也实现了对其他对象的间接访问。然而指针与引用又有很多不同点:

  1. 指针本身是一个对象,允许对指针赋值和拷贝。而且在指针的声明周期内它可以先后指向几个不同的对象。
  2. 指针无须在定义时赋初始值。(不太建议这个做法)和其他内置类型一样,在块作用域内定义的指针如果没有被初始化,也将拥有一个不确定的值。

一、基本操作

1. 初始化

建议初始化所有指针。 使用未经初始化的指针是引发运行时错误的一大原因。和其他变量一样,访问未经初始化的指针所引发的后果也是无法预计的。通常这一行为将造成程序崩溃,而且一旦崩溃,要想定位到出错位置将是特别棘手的问题。

在大多数编译器环境下,如果使用了未经初始化的指针,则改指针所占内存空间的当前内容将被看作一个地址值。访问该指针,相当于去访问一个本不存在的位置上的本不存在的对象。糟糕的是,如果指针所占内存空间恰好有内容,而这些内容又被当做了某个地址,我们就很难分清它到底是合法的还是非法的了。
因此建议初始化所有的指针,并且在可能的情况下,尽量等定义了对象之后再定义指向它的指针。 如果是实在不清楚指针应该指向何处,就把它初始化为nullptr或者0,这样程序就能检测并知道它没有指向任何具体的对象了。

int i = 42;
int *p1 = 0; //等同于int *p1=nullptr;
int *p2 = &i;
int *p3; //不推荐

过去的程序还会用到一个名为NULL的预处理变量(preprocessor variable)来给指针赋值,这个变量在头文件cstdlib中定义,它的值为0。在新标准下,现在的C++程序最好使用nullptr,同时尽量避免使用NULL.

2.赋值

在C++里,指针也是个数据对象,所以也支持相互之间的直接赋值。

int i = 42;
int *p1 = i;
int *p2;

p2 = p3;
p2 = 0;

此外,要将数字值作为地址来使用,应通过强制类型转换将数字转换为适当的地址类型。

int *pt;
pt = (int *)0xB8000000; //type match

3.算术运算

指针是一个用数值表示的地址。因此,您可以对指针执行算术运算。可以对指针进行四种算术运算:++、--、+、-。
假设 ptr 是一个指向地址 1000 的整型指针,是一个 32 位的整数,让我们对该指针执行下列的算术运算:

ptr++;

在执行完上述的运算之后,ptr 将指向位置 1004,因为 ptr 每增加一次,它都将指向下一个整数位置(即一个基本类型长度单位),即当前位置往后移 4 个字节。这个运算会在不影响内存位置中实际值的情况下,移动指针到下一个内存位置。其他三个运算符号的原理相同。

4.指针的比较

指针可以用关系运算符进行比较,如 ==、< 和 >。如果 p1 和 p2 指向两个相关的变量,比如同一个数组中的不同元素,则可对 p1 和 p2 进行大小比较。

int  var[MAX] = {10, 100, 200};
int  *ptr;
 
// 指针中第一个元素的地址
ptr = var;
int i = 0;
while ( ptr <= &var[MAX - 1] ){
   cout << "Address of var[" << i << "] = ";
   cout << ptr << endl;
 
   cout << "Value of var[" << i << "] = ";
   cout << *ptr << endl;
 
   // 指向上一个位置
   ptr++;
   i++;
}

5.指向指针的引用

指针是对象,所以存在对指针的引用。

int i = 42;
int *p = &i;
int *&r = p;

cout << "Dereference r value:" << *r << endl;
*r = 50;
cout << "Dereference p value:" << *p << endl;

二、指针和动态内存

C++ 程序中的内存分为两个部分:

  • 栈(stack):在函数内部声明的所有变量都将占用栈内存。
  • 堆(heap):这是程序中未使用的内存,在程序运行时可用于动态分配内存。

很多时候,无法提前预知需要多少内存来存储某个定义变量中的特定信息,所需内存的大小需要在运行时才能确定。指针的一个重要作用是,在运行阶段分配未命名的内存以存储值。

在 C++ 中,可以使用特殊的运算符为给定类型的变量在运行时分配堆内的内存,这会返回所分配的空间地址。这种运算符即new运算符。如果您不再需要动态分配的内存空间,可以使用delete运算符,删除之前由new运算符分配的内存。

A. new运算符

使用new运算符来为任意的数据类型动态分配内存的通用语法。下面的例子就是运行阶段为int值分配未命名的内存,并使用指针来访问这个值。我们需要告诉new,需要为哪种数据类型分配内存:new将找到一个长度正确的内存块,并返回该内存的地址。我们接下来的事情就是用指针来存储这个地址值。

int *pt = new int;  //allocate space for an int
*pt = 1001;         //store a value there

要特别指出来,pt的值存储在栈(stack)的内存区域中,而new从堆(heap)或自由存储区(free store)的内存区域分配内存。malloc()函数在 C 语言中就出现了,在 C++ 中仍然存在,但建议尽量不要使用malloc()函数。newmalloc()函数相比,其主要的优点是,new不只是分配了内存,它还创建了对象。

B. delete运算符

delete将使用完后的内存归还到内存池里,防止内存被耗尽。一定要配对使用deletenew,否则将发生内存泄露(memory leak),也就是,被分配的内存再也无法使用了。如果内存泄露严重,则程序将由于不断寻找更多内存而终止。

int *ps = new int;  //ok
delete ps;          //ok
int jugs = 5;       //ok
int *pi = &jugs;    //ok
delete pi;          //not allowed, memory not allocated by new

注意,使用delete的关键在于,将它用于new分配的内存,而不是用于使用了new的指针。
重要的事情说三遍!!!
只能用delete来释放使用new分配的内存,同时对空指针使用delete是安全的。
只能用delete来释放使用new分配的内存,同时对空指针使用delete是安全的。
只能用delete来释放使用new分配的内存,同时对空指针使用delete是安全的。

C. new创建动态数组

通常,对于大型数据(如数组、字符串和结构),应使用new。例如要编写一个程序,它是否需要数组取决于运行时用户提供的信息。在编译时给数组分配内存被称为静态联编(static binding),如果通过声明来创建数组,则在程序被编译时将为它分配内存空间。不管程序最终是否用到数组,数组都在那里占用了内存。而使用new,如果在运行时需要数组,则创建它;如果不需要,则不创建,还可以在程序运行时选择数组的长度,这被称为动态联编(dynamic binding)。

int *psome = new int[3];    //get a block of 3 ints
psome[0] = 1;
psome[1] = 2;
psome[2] = 3;
std::cout << "psome[0] is " << psome[0]<< std::endl;
psome = psome + 1;           //increment the pointer
std::cout << "Now, psome[0] is " << psome[0]<< std::endl;
psome = psome - 1;           //point back to beginning; if not, the program will break down
delete []psome;              //free a dynamic array

二维数组

int **array; 
// 假定数组第一维长度为 m, 第二维长度为 n
// 动态分配空间
array = new int *[m];
for(int i = 0; i < m; i++)
{
    array[i] = new int [n]  ;
}
//释放
for(int i = 0; i < m; i++)
{
    delete [] arrar[i];
}
delete [] array;

三、函数和指针

A.定义

每一个函数都占用一段内存单元,它们有一个起始地址,指向函数入口地址的指针称为函数指针。

B.说明

  1. 要注意区分下面两个语句:
int (*p)(int a, int b);  //p是一个指向函数的指针变量,所指函数的返回值类型为整型
int *p(int a, int b);    //p是函数名,此函数的返回值类型为整型指针
  1. 指向函数的指针变量不是固定指向哪一个函数的,而只是定义了一个类型的变量,它是专门用来存放函数的入口地址的;在程序中把哪一个函数的地址赋给它,它就指向哪一个函数。
void a(int);
void c(int);
void (*b)(int);
b = a;
b = c;
  1. 定义了一个函数指针并让它指向了一个函数后,对函数的调用可以通过函数名调用,也可以通过函数指针调用(即用指向函数的指针变量调用)。在给函数指针变量赋值时,只需给出函数名,而不必给出参数。
int max(int x, int y);    //函数max的原型
int (*p)(int a, int b);   //指针p的定义

//将函数max的入口地址赋给指针变量p
//p就是指向函数max的指针变量,也就是p和max都指向函数的开头。
p = max;  
p(2,4); //效果等同于max(2,4);
  1. 在一个程序中,指针变量p可以先后指向不同的函数,但一个函数不能赋给一个不一致的函数指针(即不能让一个函数指针指向与其类型不一致的函数)
 //声明函数
int fn1(int x, int y); 
int fn2(int x);     
//定义函数指针
int (*p1)(int a, int b); int (*p2)(int a);  
p1 = fn1; //ok
p2 = fn2; //ok
p1 = fn2; //compile error
  1. 函数指针只能指向函数的入口处,而不可能指向函数中间的某一条指令。不能用*(p+1)来表示函数的下一条指令。

  2. 函数指针变量常用的用途之一是把指针作为参数传递到其他函数。

C.举个栗子

#include <iostream>
using namespace std;
#include <conio.h>
 
int max(int x, int y); //求最大数
int min(int x, int y); //求最小数
int add(int x, int y); //求和
void process(int i, int j, int (*p)(int a, int b)); //应用函数指针
 
int main()
{
    int x, y;
    cin>>x>>y;
 
    cout<<"Max is: ";
    process(x, y, max);
 
    cout<<"Min is: ";
    process(x, y, min);
 
    cout<<"Add is: ";
    process(x, y, add);
 
    getch();
    return 0;
}
 
int max(int x, int y){
    return x > y ? x : y;
}
 
int min(int x, int y){
    return x > y ? y : x;
}
 
int add(int x, int y){
    return x + y;
}
 
void process(int i, int j, int (*p)(int a, int b)){
    cout<<p(i, j)<<endl;
}


四、void*指针

A.定义

void*定义一个void类型的指针,它不指向任何类型的数据,意思是,void*指针“指向空类型”或“不指向确定的类型”,而不要理解为void*指针能指向“任何的类型”数据。简而言之:void* 只提供一个地址,没有指向。

double obj = 3.14, *pd = &obj;
void *pv = &obj;
pv = pd;

B.作用

void*指针不指向任何数据类型,它属于一种未确定类型的过渡型数据,因此如果要访问实际存在的数据,必须将void*指针强转成为指定一个确定的数据类型的数据,如int*string*等。不允许使用void*指针操作它所指向的对象,例如,不允许对void*指针进行解引用。不允许对void*指针进行算术操作。

当进行纯粹的内存操作时,或者传递一个指向未定类型的指针时,可以使用void指针。void指针也常常用作函数指针。

在较早版本的C中,通过字符指针(char *)实现的,但是这容易产生混淆,因为人们不容易判断一个字符指针究竟是指向一个字符串,还是指向一个字符数组,或者仅仅是指向内存中的某个地址。在C中,它们被广泛使用,但是在 C++ 我认为它们很少,如果有必要,因为我们有多态性,模板 等等 它提供了一个更清洁和更安全的方法来解决C中的同一个问题。

void*主要用途:
a.void指针一般用于应用的底层,比如malloc函数的返回类型是void指针,需要再强制转换;
b.文件句柄HANDLE也是void指针类型,这也是句柄和指针的区别;
c.内存操作函数的原型也需要void指针限定传入参数:

void * memcpy (void *dest, const void *src, size_t len);
void * memset (void *buffer, int c, size_t num );

d. 面向对象函数中底层对基类的抽象。

// vp1 需要交换的一个数的地址
// vp2 需要交换的另一个数的地址
// size 为两个交换的数的类型大小,通过sizeof来计算
// 这里假设传进来的是相同数据类型的地址,比如两个数都是整数,或者都是字符串等等
void swap(void *vp1, void *vp2, int size)
{
    char *buffer = (char *)malloc(size);
    memcpy(buffer, vp1, size);
    memcpy(vp1, vp2, size);
    memcpy(vp2, buffer, size);
    free(buffer);   
}
int main()
{
    double a = 1.2;
    double b = 0.9;    
    swap(&a, &b, sizeof(double));
    return 0;
}

五、const和指针

A.指向常量的指针

指向常量的指针,它所指向的内容(即地址)可变,但这个地址里的内容不可变。

const double pi = 3.14;     //pi is const double variable
double *ptr = &pi;          //error:ptr is normal pointer
const double *cptr = &pi;   //ok: cptr is a double const pointer
*cptr = 4.2;                //error:cannot assign value to const variable

const double pp = 6.28;
cptr = &pp;

B.const指针(常量指针)

指针是对象而引用不是,因此就像对其他对象类型一样,允许把指针本身定为常量。常量指针必须初始化,而且一旦初始化完成,则它的值(存放在指针中的那个地址)就不能在改变了。

指针本身是一个常量并不意味着不能通过指针修改其所指对象的值,能否这样做完全取决于所指对象的类型。

int errNum = 0;
    int *const curErr = &errNum;
    const double pi = 3.14;
    const double *const pip = &pi;
    *pip = 2.72;                   //error
    cout << curErr << endl;        //0
    (*curErr)++;                   //okay
    cout << errNum << endl;        //1

参考文献

  1. 《C++ Primer(第5版)》 Stanley B.Lippman, Josee Lajoie, Barbara E.Moo
  2. 《C++ Primer Plus(5th Edition)》
  3. void和void *
  4. C++函数指针详解

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