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c++ 指针

学习 C++ 的指针既简单又有趣。通过指针,可以简化一些 C++ 编程任务的执行,还有一些任务,如动态内存分配,没有指针是无法执行的。

所以,想要成为一名优秀的 C++ 程序员,学习指针是很有必要的。

正如您所知道的,每一个变量都有一个内存位置,每一个内存位置都定义了可使用连字号(&)运算符访问的地址,它表示了在内存中的一个地址。

请看下面的实例,它将输出定义的变量地址:

#include <iostream>

using namespace std;

int main ()
{
   int  var1;
   char var2[10];

   cout << "var1 变量的地址: ";
   cout << &var1 << endl;

   cout << "var2 变量的地址: ";
   cout << &var2 << endl;

   return 0;
}

通过上面的实例,我们了解了什么是内存地址以及如何访问它。接下来让我们看看什么是指针。

什么是指针?

指针是一个变量,其值为另一个变量的地址,即,内存位置的直接地址。

就像其他变量或常量一样,您必须在使用指针存储其他变量地址之前,对其进行声明。

指针变量声明的一般形式为:

type *var-name;

type 是指针的基类型,它必须是一个有效的 C++ 数据类型,var-name 是指针变量的名称。

用来声明指针的星号 * 与乘法中使用的星号是相同的。但是,在这个语句中,星号是用来指定一个变量是指针。以下是有效的指针声明:

int    *ip;    /* 一个整型的指针 */
double *dp;    /* 一个 double 型的指针 */
float  *fp;    /* 一个浮点型的指针 */
char   *ch;    /* 一个字符型的指针 */

所有指针的值的实际数据类型,不管是整型、浮点型、字符型,还是其他的数据类型,都是一样的,都是一个代表内存地址的长的十六进制数。

不同数据类型的指针之间唯一的不同是,指针所指向的变量或常量的数据类型不同。

#include <iostream>

using namespace std;

int main ()
{
   int  var = 20;   // 实际变量的声明
   int  *ip;        // 指针变量的声明

   ip = &var;       // 在指针变量中存储 var 的地址

   cout << "Value of var variable: ";
   cout << var << endl;

   // 输出在指针变量中存储的地址
   cout << "Address stored in ip variable: ";
   cout << ip << endl;

   // 访问指针中地址的值
   cout << "Value of *ip variable: ";
   cout << *ip << endl;

   return 0;
}

Null 指针

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。

NULL 指针是一个定义在标准库中的值为零的常量。请看下面的程序:

#include <iostream>

using namespace std;

int main ()
{
   int  *ptr = NULL;

   cout << "ptr 的值是 " << ptr ;

   return 0;
}

在大多数的操作系统上,程序不允许访问地址为 0 的内存,因为该内存是操作系统保留的。

然而,内存地址 0 有特别重要的意义,它表明该指针不指向一个可访问的内存位置。

但按照惯例,如果指针包含空值(零值),则假定它不指向任何东西。

如需检查一个空指针,您可以使用 if 语句,如下所示:

if(ptr)     /* 如果 ptr 非空,则完成 */
if(!ptr)    /* 如果 ptr 为空,则完成 */

因此,如果所有未使用的指针都被赋予空值,同时避免使用空指针,就可以防止误用一个未初始化的指针。

很多时候,未初始化的变量存有一些垃圾值,导致程序难以调试。

指针的算术运算

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。

如果 ptr 指向一个地址为 1000 的字符,上面的运算会导致指针指向位置 1001,因为下一个字符位置是在 1001。

递增一个指针

我们喜欢在程序中使用指针代替数组,因为变量指针可以递增,而数组不能递增,因为数组是一个常量指针。

下面的程序递增变量指针,以便顺序访问数组中的每一个元素:

#include <iostream>

using namespace std;
const int MAX = 3;

int main ()
{
   int  var[MAX] = {10, 100, 200};
   int  *ptr;

   // 指针中的数组地址
   ptr = var;
   for (int i = 0; i < MAX; i++)
   {
      cout << "Address of var[" << i << "] = ";
      cout << ptr << endl;

      cout << "Value of var[" << i << "] = ";
      cout << *ptr << endl;

      // 移动到下一个位置
      ptr++;
   }
   return 0;
}

递减一个指针

同样地,对指针进行递减运算,即把值减去其数据类型的字节数,如下所示:

#include <iostream>

using namespace std;
const int MAX = 3;

int main ()
{
   int  var[MAX] = {10, 100, 200};
   int  *ptr;

   // 指针中最后一个元素的地址
   ptr = &var[MAX-1];
   for (int i = MAX; i > 0; i--)
   {
      cout << "Address of var[" << i << "] = ";
      cout << ptr << endl;

      cout << "Value of var[" << i << "] = ";
      cout << *ptr << endl;

      // 移动到下一个位置
      ptr--;
   }
   return 0;
}

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。

下面的程序修改了上面的实例,只要变量指针所指向的地址小于或等于数组的最后一个元素的地址 &var[MAX - 1],则把变量指针进行递增:

#include <iostream>

using namespace std;
const int MAX = 3;

int main ()
{
   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++;
   }
   return 0;
}

指针 vs 数组

指针和数组是密切相关的。事实上,指针和数组在很多情况下是可以互换的。

例如,一个指向数组开头的指针,可以通过使用指针的算术运算或数组索引来访问数组。请看下面的程序:

#include <iostream>

using namespace std;
const int MAX = 3;

int main ()
{
   int  var[MAX] = {10, 100, 200};
   int  *ptr;

   // 指针中的数组地址
   ptr = var;
   for (int i = 0; i < MAX; i++)
   {
      cout << "var[" << i << "]的内存地址为 ";
      cout << ptr << endl;

      cout << "var[" << i << "] 的值为 ";
      cout << *ptr << endl;

      // 移动到下一个位置
      ptr++;
   }
   return 0;
}

然而,指针和数组并不是完全互换的。例如,请看下面的程序:

#include <iostream>

using namespace std;
const int MAX = 3;

int main ()
{
   int  var[MAX] = {10, 100, 200};

   for (int i = 0; i < MAX; i++)
   {
      *var = i;    // 这是正确的语法
      var++;       // 这是不正确的
   }
   return 0;
}

把指针运算符 * 应用到 var 上是完全可以的,但修改 var 的值是非法的。这是因为 var 是一个指向数组开头的常量,不能作为左值。

由于一个数组名对应一个指针常量,只要不改变数组的值,仍然可以用指针形式的表达式。

例如,下面是一个有效的语句,把 var[2] 赋值为 500:

*(var + 2) = 500;

上面的语句是有效的,且能成功编译,因为 var 未改变。

指针数组

在我们讲解指针数组的概念之前,先让我们来看一个实例,它用到了一个由 3 个整数组成的数组:

#include <iostream>

using namespace std;
const int MAX = 3;

int main ()
{
   int  var[MAX] = {10, 100, 200};

   for (int i = 0; i < MAX; i++)
   {
      cout << "Value of var[" << i << "] = ";
      cout << var[i] << endl;
   }
   return 0;
}

可能有一种情况,我们想要让数组存储指向 int 或 char 或其他数据类型的指针。

下面是一个指向整数的指针数组的声明:

int *ptr[MAX];

在这里,把 ptr 声明为一个数组,由 MAX 个整数指针组成。

因此,ptr 中的每个元素,都是一个指向 int 值的指针。

下面的实例用到了三个整数,它们将存储在一个指针数组中,如下所示:

#include <iostream>

using namespace std;
const int MAX = 3;

int main ()
{
   int  var[MAX] = {10, 100, 200};
   int *ptr[MAX];

   for (int i = 0; i < MAX; i++)
   {
      ptr[i] = &var[i]; // 赋值为整数的地址
   }
   for (int i = 0; i < MAX; i++)
   {
      cout << "Value of var[" << i << "] = ";
      cout << *ptr[i] << endl;
   }
   return 0;
}

您也可以用一个指向字符的指针数组来存储一个字符串列表,如下:

#include <iostream>

using namespace std;
const int MAX = 4;

int main ()
{
 const char *names[MAX] = {
                   "Zara Ali",
                   "Hina Ali",
                   "Nuha Ali",
                   "Sara Ali",
   };

   for (int i = 0; i < MAX; i++)
   {
      cout << "Value of names[" << i << "] = ";
      cout << names[i] << endl;
   }
   return 0;
}

指向指针的指针(多级间接寻址)

指向指针的指针是一种多级间接寻址的形式,或者说是一个指针链。

通常,一个指针包含一个变量的地址。 当我们定义一个指向指针的指针时,第一个指针包含了第二个指针的地址,第二个指针指向包含实际值的位置。

一个指向指针的指针变量必须如下声明,即在变量名前放置两个星号。

例如,下面声明了一个指向 int 类型指针的指针:

int **var;

当一个目标值被一个指针间接指向到另一个指针时,访问这个值需要使用两个星号运算符,如下面实例所示:

#include <iostream>

using namespace std;

int main ()
{
    int  var;
    int  *ptr;
    int  **pptr;

    var = 3000;

    // 获取 var 的地址
    ptr = &var;

    // 使用运算符 & 获取 ptr 的地址
    pptr = &ptr;

    // 使用 pptr 获取值
    cout << "var 值为 :" << var << endl;
    cout << "*ptr 值为:" << *ptr << endl;
    cout << "**pptr 值为:" << **pptr << endl;

    return 0;
}

传递指针给函数

C++ 允许您传递指针给函数,只需要简单地声明函数参数为指针类型即可。

下面的实例中,我们传递一个无符号的 long 型指针给函数,并在函数内改变这个值:

#include <iostream>
#include <ctime>

using namespace std;
void getSeconds(unsigned long *par);

int main ()
{
   unsigned long sec;


   getSeconds( &sec );

   // 输出实际值
   cout << "Number of seconds :" << sec << endl;

   return 0;
}

void getSeconds(unsigned long *par)
{
   // 获取当前的秒数
   *par = time( NULL );
   return;
}

能接受指针作为参数的函数,也能接受数组作为参数,如下所示:

#include <iostream>
using namespace std;

// 函数声明
double getAverage(int *arr, int size);

int main ()
{
   // 带有 5 个元素的整型数组
   int balance[5] = {1000, 2, 3, 17, 50};
   double avg;

   // 传递一个指向数组的指针作为参数
   avg = getAverage( balance, 5 ) ;

   // 输出返回值
   cout << "Average value is: " << avg << endl; 

   return 0;
}

double getAverage(int *arr, int size)
{
  int    i, sum = 0;       
  double avg;          

  for (i = 0; i < size; ++i)
  {
    sum += arr[i];
   }

  avg = double(sum) / size;

  return avg;
}

从函数返回指针

C++ 允许您从函数返回指针。为了做到这点,您必须声明一个返回指针的函数,如下所示:

int * myFunction()
{
// .
// .
// .
}

另外,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。

现在,让我们来看下面的函数,它会生成 10 个随机数,并使用表示指针的数组名(即第一个数组元素的地址)来返回它们,具体如下:

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

using namespace std;

// 要生成和返回随机数的函数
int * getRandom( )
{
  static int  r[10];

  // 设置种子
  srand( (unsigned)time( NULL ) );
  for (int i = 0; i < 10; ++i)
  {
    r[i] = rand();
    cout << r[i] << endl;
  }

  return r;
}

// 要调用上面定义函数的主函数
int main ()
{
   // 一个指向整数的指针
   int *p;

   p = getRandom();
   for ( int i = 0; i < 10; i++ )
   {
       cout << "*(p + " << i << ") : ";
       cout << *(p + i) << endl;
   }

   return 0;
}