C/C++ 指针解析

C/C++ 指针解析笔记

一、指针的核心本质

  1. 定义：
    • 指针是一种特殊的变量，它存储的是另一个变量的内存地址。
    • 通过这个地址，我们可以间接访问和修改该地址上存储的数据。
    • 可以把内存看作一系列带有编号的格子，内存地址就是格子的编号，指针变量存储的就是这个编号。
  2. 为什么需要指针？
    • 直接内存操作：允许对内存进行更底层的控制。
    • 动态内存分配：如 malloc, new 返回的就是分配内存的起始地址（指针）。
    • 高效传递大型数据结构：通过传递指针（地址）而非整个数据结构的副本给函数，可以提高效率。
    • 实现复杂数据结构：如链表、树、图等，其节点间的连接通常通过指针实现。
    • 函数间修改外部变量：通过传递变量的地址，函数内部可以修改函数外部的变量。

二、指针的声明与基本操作

  1. 声明指针变量：

    data_type *pointer_name;
    • data_type：指针所指向的变量的数据类型。这个类型至关重要，它决定了：
      • 解引用行为：从指针指向的地址开始读取多少字节，以及如何解释这些字节。
      • 指针算术的步长：指针加减运算时，地址移动的单位长度。
    • *：表明 pointer_name 是一个指针变量。
    • pointer_name：指针变量的名称。
    • 示例：int *p_int; char *p_char; double *p_double;

  2. 取地址运算符 (&)：

    • 获取一个变量在内存中的实际地址。

    • 示例：

      C++

      int var = 10;
int *ptr = &var; // ptr 现在存储了 var 的内存地址

  3. 解引用运算符 (*) (间接寻址运算符)：

    • 访问指针所指向地址中存储的值。

    • 示例：

      int value = *ptr; // value 将被赋值为 10 (var 的值)
*ptr = 20;        // var 的值现在被修改为 20

    • 重要：解引用一个未初始化或指向无效内存区域的指针是危险的，会导致未定义行为（通常是程序崩溃）。

  4. 空指针 (nullptr C++11及以后, NULL C/旧C++)：

    • 表示一个不指向任何有效内存地址的指针。
    • 良好的编程习惯是初始化指针为 nullptr，并在释放内存后也将其设为 nullptr，以防止野指针。
    • 示例：int *ptr = nullptr;
    • 解引用空指针同样会导致程序崩溃。

三、指针类型的重要性

  1. 决定解引用的字节数和解释方式：
    • int *p; *p 会访问 sizeof(int) 个字节并将其解释为整数。
    • char *p; *p 会访问 sizeof(char) 个字节并将其解释为字符。
    • 如果指针类型与实际存储的数据类型不匹配，解引用可能导致错误的数据或行为。
  2. 决定指针算术的“步长”：
    • int_ptr++：地址值增加 sizeof(int)。
    • char_ptr++：地址值增加 sizeof(char)。

四、指针算术 (Pointer Arithmetic)

指针算术是基于指针所指向的数据类型的大小进行的。

  1. 递增 (++) / 递减 (--)：
    • ptr++：使指针指向内存中下一个同类型元素。
    • ptr--：使指针指向内存中上一个同类型元素。
  2. 加法 (+) / 减法 (-) 整数：
    • ptr + n：结果是一个新指针，指向从 ptr 当前位置之后第 n 个同类型元素。地址增加 n * sizeof(pointed_type)。
    • ptr - n：结果是一个新指针，指向从 ptr 当前位置之前第 n 个同类型元素。地址减少 n * sizeof(pointed_type)。
  3. 指针相减 (ptr1 - ptr2)：
    • 前提：ptr1 和 ptr2 必须指向同一个数组中的元素（或者是数组末尾的下一个位置）。
    • 结果：它们之间相差的元素个数，类型通常是 ptrdiff_t。
  4. 注意事项：
    • 指针算术主要用于操作数组。
    • 避免对非数组元素的指针进行越界算术运算。
    • 不能对指针进行乘法、除法、模运算。
    • 不同类型的指针（void* 除外，且其不能直接运算）不能直接进行算术运算。

五、void* (泛型指针 / 无类型指针)

  1. 定义：可以存储任何类型对象的地址，但本身不包含类型信息。

  2. 特点：

    • 通用性：void *vptr; int i; char c; vptr = &i; vptr = &c;

    • 不能直接解引用：编译器不知道如何解释所指数据。必须先显式类型转换 (cast)为具体的指针类型。

      int i = 10;
void *vptr = &i;
int val = *( (int*)vptr ); // 转换为 int* 后解引用

    • 不能直接进行指针算术 (标准C/C++)：因为不知道对象大小。若需运算，先转换。 (GNU C 扩展可能允许，但不推荐，因不可移植)。

  3. 常见用途：

    • 泛型函数接口：如 malloc 返回 void* (分配的内存块可以用于任何类型)，free 接收 void*，memcpy, memset 的参数。
    • 在不同数据类型的指针间传递地址。

六、多级指针 (Pointers to Pointers)

指针本身也是变量，也存储在内存中，因此也有地址。多级指针就是指向另一个指针地址的指针。

  1. 二级指针 (data_type **ptr_to_ptr;)：存储一个一级指针的地址。

    • 示例：int var = 10; int *p1 = &var; int **p2 = &p1;
    • p2：存储 p1 的地址。
    • *p2：解引用一次，得到 p1 的值 (即 var 的地址)。
    • **p2：解引用两次，得到 var 的值 (即 10)。

  2. 常见用途：

    • 在函数中修改指针本身：如果函数需要改变一个外部指针变量指向的地址（例如，在函数内部分配内存并让外部指针指向它），需要传递该外部指针的地址 (即二级指针) 给函数。

      void allocate(int **arr_ptr, int size) {
    *arr_ptr = new int[size]; // 修改了调用者传入的指针
}
// ...
int *my_array = nullptr;
allocate(&my_array, 10); // 传递 my_array 的地址
// my_array 现在指向新分配的内存

    • 动态分配指针数组：例如，管理一个字符串数组 (每个字符串本身是 char*)。

      char **names = new char*[count]; // names 是一个指向 char* 的指针
names[0] = new char[length];
strcpy(names[0], "Alice");

    • C语言中的 main 函数参数 char *argv[] 或 char **argv 也是二级指针，argv 指向一个指针数组，其中每个指针指向一个命令行参数字符串。

七、指针与数组

  1. 数组名作为指针：在大多数表达式中，数组名会隐式转换为其第一个元素的地址 (指针)。

    int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int *ptr = arr; // 等价于 int *ptr = &arr[0];
std::cout << *ptr; // 输出 1
std::cout << *(arr + 1); // 输出 2 (arr[1])

  2. 区别：

    • sizeof 运算符：sizeof(arr) 返回整个数组占用的字节数，而 sizeof(ptr) 返回指针变量自身占用的字节数 (通常4或8字节)。
    • & 运算符：&arr 得到的是整个数组的地址，虽然其数值与 arr (首元素地址) 相同，但类型不同 (int (*)[5] vs int*)。(&arr + 1) 会跳过整个数组。
    • 数组名是常量指针，不能被赋值修改：arr = another_array; (错误)；ptr = another_array; (正确)。

八、函数指针

  1. 定义：指向函数的指针，存储函数的入口地址。

  2. 声明：

    return_type (*pointer_name)(parameter_types);
    • 示例：int (*add_func_ptr)(int, int); (一个指向返回int并接收两个int参数的函数的指针)

  3. 赋值与调用：

    int add(int a, int b) { return a + b; }
add_func_ptr = add; // 或 add_func_ptr = &add;
int result = (*add_func_ptr)(10, 20); // 或 result = add_func_ptr(10, 20);

  4. 用途：

    • 回调函数：将函数作为参数传递给另一个函数。
    • 跳转表/状态机：根据不同条件调用不同函数。
    • 实现某些设计模式 (如策略模式)。

九、指针的危险与注意事项

  1. 野指针 (Wild Pointers)：未初始化的指针，或指向已释放/无效内存区域的指针。解引用野指针是灾难性的。

    • 避免：声明时初始化 (nullptr)；释放内存后将指针设为 nullptr。

  2. 悬垂指针 (Dangling Pointers)：指向已经被释放的内存的指针。

    • 避免：确保指针在指向的内存释放后不再被使用。

  3. 内存泄漏 (Memory Leaks)：动态分配的内存不再需要但没有被释放，导致程序持续占用不必要的内存。

    • 避免：malloc/new 配对使用 free/delete (或 delete[] for arrays)。使用智能指针 (C++)。

  4. 访问越界：通过指针算术访问数组边界之外的内存。

  5. 类型不匹配：通过一个类型的指针去访问另一种类型的数据，可能导致数据损坏或错误解释。

提供的链接 (深入理解C/C++中的指针 - GitHub)

posted @ 2025-05-21 16:44  phen  阅读(67)  评论(0)    收藏  举报