- 本章节更详细内容参见《指针的艺术》-蔡明志、《C++ Primer Plus》
指针和自由存储空间
前几章介绍了计算机程序在存储数据时必须跟踪的3种基本属性，分别是：
- 信息存储在何处；
- 存储的值为多少；
- 存储的信息是什么类型；
之前使用的策略为：定义一个简单的变量。声明语句指出了值的类型和符号名，还让程序为值分配内存，并在内部跟踪该内存单元。
下面来看看新的策略：指针。指针是一个变量，其存储的是值的地址，而不是值本身。想要找到一个常规变量的地址，只需要在变量前加一个取址符'&'，示例：
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
int donuts = 6;
double cups = 4.5;
cout << "donuts value = " << donuts;
cout << " and donuts address = " << &donuts << endl;
cout << "cups value = " << cups;
cout << " and cups address = " << &cups << endl;
return 0;
}
输出结果为：
donuts value = 6 and donuts address = 0x0065fd40
cups value = 4.5 and cups address = 0x0065fd44
显示地址时，该实现的cout使用十六进制表示法，因为这是常用于描述内存的表示法（有些实现可能使用十进制表示法）。在该实现中，donuts的存储位置比cups要低。两个地址的差为0x0065fd44 –0x0065fd40（即4）。这是有意义的，因为donuts的类型为int，而这种类型使用4个字节。当然，不同系统给定的地址值可能不同。有些系统可能先存储cups，再存储donuts，这样两个地址值的差将为8个字节，因为cups的类型为double。另外，在有些系统中，可能不会将这两个变量存储在相邻的内存单元中。
- 使用常规变量时，值是指定的量，而地址为派生量。
- 处理存储数据的新策略-指针刚好相反，将地址视为指定的量，而将值视为派生量。指针是一种特殊类型的变量，用于存储值的地址。
*运算符被称为间接值（indirect velue）或解除引用
（dereferencing）运算符，将其应用于指针，可以得到该地址处存储的值（这和乘法使用的符号相同；C++根据上下文来确定所指的是乘法还是解除引用）。- 例如，假设
manly是一个指针，则manly表示的是一个地址，而*manly表示存储在该地址处的值。*manly与常规int变量等效。
- 例如，假设
声明和初始化指针
- 计算机需要跟踪指针指向的值的类型。
- 例如，
char的地址与double的地址看上去没什么两样，但char和double使用的字节数是不同的，它们存储值时使用的内部格式也不同。因此，指针声明必须指定指针指向的数据的类型。
- 例如，
例如:
int* p;
这表明，* p的类型为int。由于*运算符被用于指针，因此p变量本身必须是指针。我们说p指向int类型，我们还说p的类型是指向int的指针，或int*。可以这样说，p是指针（地址），而*p是int。
Tips：*运算符两边的空格是可选的。
- C程序员常使用这种格式：
int *p; // 这强调*p是一个int类型的值
- C++程序员常使用这种格式：
int* p; // 这强调的是int*是一种类型：指向int的指针
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 *p = NULL;
cout << "p 的值是 " << p ;
return 0;
}
当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：
p 的值是 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(p) /* 如果 p 非空，则完成 */
if(!p) /* 如果 p 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 p 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：
p++
在执行完上述的运算之后，p 将指向位置 1004，因为 p 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 p 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;
}
当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：
Address of var[0] = 0xbfa088b0
Value of var[0] = 10
Address of var[1] = 0xbfa088b4
Value of var[1] = 100
Address of var[2] = 0xbfa088b8
Value of var[2] = 200
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;
}
当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：
Address of var[3] = 0xbfdb70f8
Value of var[3] = 200
Address of var[2] = 0xbfdb70f4
Value of var[2] = 100
Address of var[1] = 0xbfdb70f0
Value of var[1] = 10
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;
}
当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：
Address of var[0] = 0xbfce42d0
Value of var[0] = 10
Address of var[1] = 0xbfce42d4
Value of var[1] = 100
Address of var[2] = 0xbfce42d8
Value of var[2] = 200
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;
}
当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：
var[0]的内存地址为 0x7fff59707adc
var[0] 的值为 10
var[1]的内存地址为 0x7fff59707ae0
var[1] 的值为 100
var[2]的内存地址为 0x7fff59707ae4
var[2] 的值为 200
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; // 有效语句，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;
}
当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：
Value of var[0] = 10
Value of var[1] = 100
Value of var[2] = 200
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;
}
当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：
Value of var[0] = 10
Value of var[1] = 100
Value of var[2] = 200
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;
}
当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：
Value of names[0] = Zara Ali
Value of names[1] = Hina Ali
Value of names[2] = Nuha Ali
Value of names[3] = Sara Ali
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。
指针的指针就是将指针的地址存放在另一个指针里面。
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;
}
当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：
var 值为 :3000
*ptr 值为:3000
**pptr 值为:3000
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;
// 在写函数时应习惯性的先声明函数，然后在定义函数
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;
}
当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：
Number of seconds :1294450468
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;
}
当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：
Average value is: 214.4
从函数返回指针
在上一章中，我们已经了解了 C++ 中如何从函数返回数组，类似地，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;
}
当上面的代码被编译和执行时，它会产生下列结果：
624723190
1468735695
807113585
976495677
613357504
1377296355
1530315259
1778906708
1820354158
667126415
*(p + 0) : 624723190
*(p + 1) : 1468735695
*(p + 2) : 807113585
*(p + 3) : 976495677
*(p + 4) : 613357504
*(p + 5) : 1377296355
*(p + 6) : 1530315259
*(p + 7) : 1778906708
*(p + 8) : 1820354158
*(p + 9) : 667126415
内容整合自：指针的艺术》、《C++ Primer Plus》、“菜鸟教程”
