C++ 練氣期之指標所指何處

一枚大果殼發表於2022-07-04
C++指標

1. 指標

指標是一種C++資料型別，用來描述記憶體地址。

什麼是記憶體地址？

記憶體中的每一個儲存單元格都有自己的地址，地址是使用二進位制進行編碼。地址從形態上看是一個整型資料型別。但是，它的資料含義並不表示數字，而是一個位置標誌，類似於門牌號。

1.png

指標型別資料的算術運算：

  • 在地址上加上或減去一個正整數，表示向前或向後移動地址。移動地址的意義：可實現從一個儲存位置到達另一個儲存位置。
  • 地址與地址之間也可以相減，表示兩個地址之間的差距。
  • 地址與地址之間不可以相加、相乘、相除運算。對地址進行相加、相乘、相除類似門牌號門牌號之間相加、相乘、相除，沒有任何意義可言。

2. 指標變數

變數是一個儲存塊，為了能訪問到變數中的資料，開發者需要為變數指定一個名字，即變數名。編譯器會在分配變數後，把變數和變數名進行關聯。

變數名和變數地址有什麼關係?

變數名是變數的邏輯地址，由開發者提供。而變數地址是變數的實體地址，指變數在記憶體中的具體位置。如下宣告語句，在編譯時，編譯器會做一些細碎的底層工作。

int num=20;
  • 根據資料型別的約定，在記憶體中找到一個可用的記憶體塊。int一般大小為 4B。
  • 獲取到記憶體塊的實體地址，並把實體地址和開發者提供的變數名（邏輯名）進行關聯，並儲存在對映表中。
  • 把數字 20儲存在num變數中。

2.png

在使用 num訪問變數時，需要藉助對映表，找到變數名對應的記憶體地址，方能訪問變數中的資料。變數名是變數地址的邏輯名。

std::cout<<num;
//輸出結果：20

能不能獲取到變數在記憶體的地址，通過地址訪問變數？

當然可以，前提是需要宣告一個指標變數，儲存變數的實體地址。

用來儲存地址（指標）型別資料的變數稱為指標變數。

指標變數也是記憶體中的一個儲存塊，只是變數中儲存的是另一個變數在記憶體中的地址。如下程式碼，儲存 num變數在記憶體的地址。

//整型型別變數
int num=20;
//指標型別的變數
int* num_p=&num;

程式碼說明：

  • int *表示指標型別。宣告指標變數時，需要指定變數是用來儲存指標型別資料。

int *表示指標變數是用來儲存一個 int型別變數的地址，並不是指變數用來儲存一個整型資料。

  • &運算子，取地址運算子。&num表示獲取num變數的記憶體（物理）地址。

既然是變數，指標變數在記憶體也有屬於自己的儲存位置。如下圖所示，只是指標變數中儲存的是地址資訊。

3.png

指標變數實際佔用記憶體大小是多少，由底層編譯器決定。

如何通過指標變數中的地址訪問 num 變數？

如下程式碼，先試著直接輸出指標變數 num_p 中的資料。

std::cout<<num_p;

輸出結果：0x70fe14。很明顯這是記憶體地址的 16進位制格式，也證實指標變數中儲存的是地址。

千萬別問我為什麼輸出的不是1000。圖片只是一個演示。

有了這個地址後，可以通過這個地址訪問num變數中的資料。

std::cout<<*num_p; 
//輸出：20

需要注意：在宣告和通過地址訪問資料時，都要使用 *符號：

  • 宣告時*表示指標型別。int* num_p;
  • 使用指標變數時，表示通過地址找到變數中的資料。

*num_p 和 num是訪問同一個變數的兩種方案。前者是使用物理名（記憶體地址）訪問變數的語法，後者是使用邏輯名（變數名）訪問變數。

同樣的也能夠使用指標變數對其引用的變數進行賦值。

int num=20;
int* num_p=&num;
//通過指標變數賦值，和 num=30 等同
*num_p=30;
std::cout<<*num_p<<std::endl;
std::cout<<num<<std::endl;
//輸出結果：
30
30

3. 幾個問題

3.1 為什麼要使用指標變數

在使用指標變數時，總會有一個疑問，既然能夠使用變數名訪問變數，為什麼還要搞一個指標變數。指標變數不僅要佔用記憶體空間，且語法繁瑣，是不是有點囉嗦了。

其實，指標變數是C系列語言的特色，是演化過程中保留下來的原始特性：

  • 訪問速度。

指標訪問是直接硬體訪問，速度較快。

遍歷陣列時，通過指標的加法、減法運演算法則，可以向前或向後快速移動指標。

int nums[4]={1,2,3,4};
int* nums_p=nums;
for(int i=0;i<4;i++){
	std::cout<<*(nums_p+i)<<std::endl;
}
//輸出
1
2
3
4

陣列變數本質是指標變數，儲存著陣列在記憶體中的首地址。所以在把陣列的地址賦值另一個指標變數時，int* nums_p=nums;是不需要使用&符號的。

上述程式碼nums_p+i讓指標變數能加上一個正整數，實現指標的移動，這裡要注意，加上 1 不是表示只移動一個儲存單元格，而是移動int大小。

如果知道資料在陣列中的位置，可以直接在首指標基礎上加上一個移動單位，便能快速訪問陣列中的資料。

  • 訪問 new 建立的記憶體塊。

如下語句：

int *num01=new int;

new運算子會在堆中開闢一個用來儲存int型別資料的儲存塊，返回儲存塊的記憶體地址（指標型別資料） ，這時只能使用指標變數儲存，並且通過指標變數使用這個儲存塊 。

指標變數的存在為使用堆提供了必要條件，C++稱堆為動態記憶體區域，開發者可隨時根據自己的需求在程式執行時申請、使用。

理論上講，編譯器也可以讓開發者提供變數名，然後把變數名和new返回的地址進行對映。

顯然，省略對映環節，直接指標訪問，即減輕了編譯器的負擔，又提升了訪問速度。

int *num01=new int;
*num01=40;
std::cout<<*num01<<std::endl; 
//輸出：40
  • 使用指標變數作為函式的引數，用來影響函式呼叫處變數中的值。

如果現在有一個需求，使用一個函式交換 2 個變數中的資料。先看一下下面的程式碼是否能實現這個效果。

#include <iostream>
//交換函式
void swap(int num1,int num2){
	int tmp=num1;
	num1=num2;
	num2=tmp;
} 

int main(int argc, char** argv) {
	int num1=20;
	int num2=30;
	std::cout<<"交換前："<<num1<<":"<<num2<<std::endl;
	swap(num1,num2);
	std::cout<<"交換後："<<num1<<":"<<num2<<std::endl;
	return 0;
}

輸出結果：

交換前：20:30
交換後：20:30

主函式中的 num1和num2變數中的資料根本沒有交換。

原因在於呼叫函式swap時，引數是值傳遞。所謂值傳遞，指把主函式中num1和num2變數的值傳遞給swap函式中的 num1和num2變數。swap的交換邏輯僅修改了自身 2 個變數中的值。

如下圖所示，主函式變數中的資料沒有改變。

6.png

如果希望通過呼叫swap後直接修改主函式中num1和num2中的值，可以使用指標變數作引數。

#include <iostream>
//形參為指標型別
void swap(int* num1,int* num2){
    //*num1 通過地址訪問主函式中的 num1 變數
	int tmp=*num1;
    //交換的是主函式中變數中的值
	*num1=*num2;
	*num2=tmp;
} 
int main(int argc, char** argv) {
	int num1=20;
	int num2=30;
	std::cout<<"交換前："<<num1<<":"<<num2<<std::endl;
    //主函式把變數的地址傳遞給 swap 函式
	swap(&num1,&num2);
	std::cout<<"交換後："<<num1<<":"<<num2<<std::endl;
	return 0;
}

輸出結果：

交換前：20:30
交換後：30:20

指標作為引數，傳遞的是變數地址，意味著，swap函式中兩個變數引用了主函式中兩個變數的實體地址。可以實現修改主函式中變數值的目的。

相當於主函式把變數房間的鑰匙傳遞給 swap 函式，swap 再使用鑰匙進入主函式中的變數，進行資料維護。

7.png

3.2 指標潛在的風險

3.2.1 初始化風險

必須初始化： 如下程式碼，編譯器不會報任何錯誤，但實際上是沒有任何意義的程式碼。

int* p;
std::cout<<p<<std::endl;
std::cout<<*p<<std::endl;

輸出結果：

0x40ebd9
264275272

當宣告指標變數 p時，如果沒有指定初始值，編譯器會隨意指定一個值。指望把這個值當成一個有效地址，是沒有意義的。如果把這指標變數用於程式碼邏輯，會產生無中生有的資料，顯然是違背資料的準確性和可靠性。

所以，在宣告指標變數後，一定要對其進行初始化。

不能使用整型常量初始化： 使用整型數字常量初始化指標變數，編譯層面是通不過的。

//語法錯誤
int* p=0x40aed9;

0x40aed9即使是一個有效的記憶體地址資料，因為型別不同，也不能把整型資料賦值給一個指標型別變數。

但是，可以強制型別轉換後再賦值。

地址形態上是數字，也僅是形態上是，本質上不是數字型別，不具有數字語義，也不具有數字運算操作能力，不能把地址型別與數字型別混淆。

//正確
int* p=(int*)0x44eb99;

雖然，通過強制轉換可以成功初始化指標變數，但是存在潛在風險：

  • 0x44eb99地址不一定是一個有效的地址。
  • 0x44eb99即使是一個有效地址，有可能此地址正被其它變數使用。如此，你便修改了其它變數的值。誤打誤撞，跑到了別人家裡。

如下程式碼，本意並不是想讓p儲存score變數的記憶體地址。如果恰好0x70fddc就是score的記憶體地址。則通過*p對變數的修改最終會導致score變數中的資料被修改。

int score=89;
//本意是想使用一個空閒的空間，誤打誤撞引用了 score 的地址
int* p=(int*)0x70fddc;
//會修改 score 中的值
*p=56;
std::cout<<score<<std::endl;
std::cout<<*p<<std::endl;
//輸出
56
56

可以認為指標訪問是變數名訪問的另一種形式，所以在初始化指標變數時， 需要使用 &或 new 運算子合理計算出來的地址。指標變數必須是一個已經存在的、合法變數的記憶體地址。

型別一致初始化： 如下程式碼是錯誤的，千萬不要認為會發生自動型別轉換。num_p只能引用double型別變數的地址，這是語法層面約定。

int num=34;
//語法錯誤,宣告指標時的資料型別，嚴格規定了指標變數能引用的變數型別
double* num_p=&num;

3.2.2 越界風險

指標越界： 指指標移動到了非法區域，如下程式碼：

int num=34;
int* num_p=&num;
std::cout<<"正常輸出:"<<*num_p<<std::endl;
//指標移到了一個沒有宣告的區域
std::cout<<"移動指標輸出:"<<*(num_p+1)<<std::endl;

輸出結果：

正常輸出:34
移動指標輸出:7405060

雖然指標變數可以通過加上一個整型數字進行移動。但是一定要控制合法範圍，否則會發生如上的非法訪問，非法訪問到的資料一旦用於資料邏輯，會存在很大的風險。

3.3 多級指標

指標變數本身也是一個儲存塊，它所在記憶體地址是否還可以儲存在另一個指標變數中？

顯然，這是可以的，如下程式碼：

//宣告常規變數
int num=20;
//一級指標變數：用來儲存 num 變數的地址
int* num_p=&num;
//二給指標變數，用來儲存 num_p 變數的地址
int** num_p_p=&num_p;

int**表示二級指標型別，本質還是記憶體地址，是另一個指標變數的記憶體地址。
4.png
使用二級指標訪問 num變數中的資料。

//……	
*(*num_p_p)=30;
std::cout<<"輸出:"<<num<<std::endl;

程式碼解釋：

  • *num_p_p獲取到 num_p變數中的記憶體地址值 1000。
  • *(*num_p_p)利用上面返回的 1000 地址，找到變數 num位置，並返回變數 num的值。

5.png

同理可以使用多維指標，如下是三維指標。

int num=20;
int* num_p=&num;
int** num_p_p=&num_p; 
int*** num_p_p_p=&num_p_p; 
*(*(*num_p_p_p))=30;
std::cout<<"輸出:"<<num<<std::endl;
//輸出：30

4. 總結

雖然可以通過使用指標提升記憶體的訪問效能，但也因存在指標的自由性，易出現潛在風險。如JAVA在語法層面對指標使用做了限制，權衡利弊，雖然消弱了指標的自由性，同時也降低了程式碼的潛在風險。

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