C++的引用和指針

前言

之前的文章我們已經(jīng)介紹了C++中的基本類型如int，bool和double等，除了基本類型C++還有一些更復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型復(fù)合類型，所謂的復(fù)合類型就是通過其他類型定義的類型，本篇文章我們將會(huì)著重介紹C++的復(fù)合類型引用和指針。

引用

一個(gè)引用是定義一個(gè)對(duì)象的別稱，一個(gè)引用類型是指向其他類型的，下面就是引用聲明的例子。

int val = 1024;
int &refVal = val; //refVal指向val
int &refVal2; //錯(cuò)誤，引用必須初始化

通常來說，當(dāng)我們初始化一個(gè)變量，初始化的值就會(huì)拷貝進(jìn)我們創(chuàng)建的對(duì)象，當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)引用時(shí)，不是拷貝初始化的值，而是將引用與初始化的對(duì)象綁定，一旦初始化，一個(gè)引用就是保持與初始化對(duì)象的綁定，且無法重新綁定，所以引用必須要初始化。

指針

指針是一個(gè)復(fù)合類型指向其他的類型，就像引用，指針也是用于間接獲取對(duì)象，但是與引用不同，指針是一個(gè)對(duì)象，它擁有對(duì)象有的能力，一個(gè)指針可以賦值和拷貝，在它的生命周期內(nèi)，一個(gè)指針可以指向多個(gè)對(duì)象，且指針無需在定義時(shí)就初始化，就像其他的基本類型，如果其范圍內(nèi)沒有初始化會(huì)有一個(gè)默認(rèn)值，以下就是指針的聲明，*是指針操作符。

int *p1, *p2;
double dp, *dp2;

指針與地址

一個(gè)指針持有一個(gè)對(duì)象的地址，可以同地址操作符（&）獲取地址。

int val = 42;
int *p = &val;

上面的例子中，第二個(gè)表達(dá)式定義了一個(gè)int指針p，且初始化p指向一個(gè)叫做val的int對(duì)象，因?yàn)橐貌皇菍?duì)象沒有地址，所以我嘛不會(huì)定義一個(gè)指針指向一個(gè)引用。

?需要注意的是指針的類型要與指向?qū)ο蟮念愋拖嗤駝t就會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤

?

double dval;
double *pd = &dval; //沒問題
double *pd2 = pd; //沒問題

int *pi = pd; //報(bào)錯(cuò)， pi與pd類型不一致

以上例子就睡報(bào)錯(cuò)不能用int *類型初始化double , 可以將與基本類型的組合理解為一個(gè)新的類型。類型必須匹配，因?yàn)樾枰ㄟ^指針的類型來推斷指針指向?qū)ο蟮念愋?，正如之前所提到的，一個(gè)對(duì)象的類型決定了其所支持的操作，如果類型不一致會(huì)導(dǎo)致操作失敗。

指針的值

指針的值（地址）有以下四種情況

• 指向一個(gè)對(duì)象
• 指向緊鄰對(duì)象所占空間的下一個(gè)位置
• 空指針，意味著未指向任何對(duì)象
• 無效指針，也就是上述情況之外的值

拷貝和獲取一個(gè)無效指針會(huì)引發(fā)錯(cuò)誤，編譯器并不負(fù)責(zé)檢查此類錯(cuò)誤，訪問無效執(zhí)政的后果是無法預(yù)計(jì)的，所以程序員必須要清楚的知道所給指針是否有效。雖然第2和第三種情況指針是有效的，但是使用上還是有很多限制，因?yàn)樗鼈儾]有指向一個(gè)對(duì)象，如果我們通過它們獲取對(duì)象，其結(jié)果也是未知的。

指針獲取對(duì)象

當(dāng)一個(gè)指針指向一個(gè)對(duì)象時(shí)，我們可以通過解引用操作符*來獲取對(duì)象

int val = 42;
int* p = &val;  //p持有val的地址，p是指向val的指針
std::cout<<*p;  //*p獲取p指向的對(duì)象

一些符號(hào)如和&在表達(dá)式和聲明中都會(huì)使用到，其中符號(hào)所處的上下文決定其含義，在聲明中，&和是用于形成復(fù)合類型，在表達(dá)式中這些符號(hào)代表一種操作，雖然是相同的符號(hào)但是含義完全不同，最好好的方法就是忽略它們的表象，將其視為不同的符號(hào)，以下例子中就詳細(xì)說明了兩種符號(hào)不同場(chǎng)景下的不同含義。

int val = 42;
int &r = val; //&在類型的后面是聲明的一部分，r是一個(gè)引用
int *p;  //*在類型的后面是聲明的一部分，p是一個(gè)指針
p = &val; //&在表達(dá)式中，所以是取地址操作符
*p = val; // *在表達(dá)式中，是解引用操作符
int &r2 = *p; //&是聲明的一部分，*是解引用操作符

空指針

空指針沒有指向任何對(duì)象，在使用一個(gè)指針前可以先檢查其是否為空，獲得空指針的方式有以下幾種：

int *p1 = nullptr; //等價(jià)于int *p1 = 0
int *p2 = 0; //直接通過字面量0來初始化
int *p3 = NULL; //等價(jià)于int *p3 = 0

最直接的方法獲取空指針就是nullptr，這也是新標(biāo)準(zhǔn)引進(jìn)的方法，也可以通過字面量0來初始化指針，在一些老的程序中會(huì)使用預(yù)處理變量NULL，在cstlib頭文件中將其定義為0，至于預(yù)處理器的內(nèi)容之后會(huì)詳細(xì)介紹。

?需要注意將一個(gè)int值賦予一個(gè)指針是不合法的，即使是0也不行

?

int zero = 0;
pi = 0 //錯(cuò)誤

未初始化的指針是一個(gè)很常見的運(yùn)行時(shí)錯(cuò)誤，正如使用其他未初始化的變量一樣，使用一個(gè)未初始化的指針結(jié)果也是未知的，絕大多數(shù)情況使用未初始化的指針會(huì)導(dǎo)致運(yùn)crash，而且在debug時(shí)很困難。 在大多數(shù)的編譯器中，如果使用一個(gè)未初始化的指針，內(nèi)存中該指針存儲(chǔ)的內(nèi)容會(huì)被當(dāng)作一個(gè)地址，而且無法分辨該地址是否有效，如果是無效地址則會(huì)crash，如果是有效地址則可能會(huì)發(fā)生未知錯(cuò)誤。 所以建議初始化所有的變量，尤其是指針，如果可能的話，只在指針需要指向的對(duì)象定義后定義指針，如果實(shí)在沒有指向的對(duì)象，初始化為nullptr或0，這樣程序可以檢測(cè)到指針沒有指向一個(gè)對(duì)象。

指針與賦值

指針和引用都是提供間接訪問對(duì)象的方法，但是二者還是有很大的差別，其中最大的差別就是引用不是一個(gè)對(duì)象，一旦我們定義了一個(gè)應(yīng)用就沒有辦法讓它指向另一個(gè)對(duì)象，當(dāng)我們使用引用的時(shí)候我們只會(huì)獲得其最初綁定的對(duì)象。指針和其持有的地址之間的關(guān)系并不保證，當(dāng)我們給一個(gè)指針賦值一個(gè)非引用對(duì)象時(shí)，將會(huì)給指針自身一個(gè)新的值。賦值讓指針指向一個(gè)不同的對(duì)象。

int i = 0;
   int *pi = 0; //pi被初始化但是沒有指向?qū)ο?   int *pi2 = &i //pi2被初始化且地址指向i
   int *pi3; //pi3定義了但是沒有初始化
   pi3 = pi2; //pi2和pi3指向同一個(gè)對(duì)象
   pi2 = 0; //pi2不指向任何對(duì)象

有時(shí)候很難直接看出來賦值是改變了指針還是改變了指針指向的對(duì)象，最重要就是記住賦值改變左邊的操作數(shù)，例子如下，我們給pi賦值改變的是pi持有的地址。

pi = &ival; //pi的值改變，現(xiàn)在pi指向ival

與此同時(shí)，以下例子是*pi（pi指向的值）改變了

*pi = 0;

?void*是一個(gè)特殊的指針類型，其可以持有任何類型的對(duì)象的地址，

?

理解復(fù)合類型

正如我們所看到的，一個(gè)變量定義包含了一個(gè)基本類型和一系列的聲明符，每一個(gè)聲明符與其相關(guān)的基本類型變量關(guān)聯(lián)，且與其他在同一個(gè)定義里的聲明符無關(guān)，所以一個(gè)定義可以定義多個(gè)不用類型的變量，例子如下

int i = 1024, *p = &1; &r = i;

定義多個(gè)變量

在之前的例子中很容易認(rèn)為*和&作用于一個(gè)聲明語句的所有對(duì)象，其很大一個(gè)原因是我們可以將修飾符與變量名分開如下

int* p; //合法但是很容易造成誤解

int* p1, p2; //p1是一個(gè)指針，p2是一個(gè)整型

int *p1, *p2; //p1, p2都是指向整型的指針

指向指針的指針

通常來說，對(duì)于一個(gè)聲明符來說修飾符的數(shù)量并沒有限制，但有超過一個(gè)的修飾符時(shí)雖然符合邏輯，但是卻不總是很明晰，例如考慮一個(gè)指針，一個(gè)指針是內(nèi)存中的一個(gè)對(duì)象，所以我們可以將一個(gè)指針的地址存儲(chǔ)在一個(gè)指針中。

int ival = 1024;
int *pi = &ival; //pi指向一個(gè)整型
int **ppi = π //ppi指向一個(gè)整型指針

指針的引用

由于引用不是一個(gè)對(duì)象，所以沒有指向引用的指針，但是指針是一個(gè)對(duì)象，所以有指向指針的引用

int i = 42;
int *p1; //pi是一個(gè)整型指針
int *&r = p; //r是p的一個(gè)引用
r = &i; //r是p的引用，所以等同于p = &i
*r = 0; //將i的值設(shè)置為0