C++复合类型总结（指针）

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。new与malloc()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delete和new，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

用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 = π          //error:ptr is normal pointer
const double *cptr = π   //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 = π
    *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