c++——阐述指针和引用

阐述指针和引用

​ C++最大的优点之一是，您既可使用它来编写不依赖于机器的高级应用程序，又可使用它来编写与硬件紧密协作的应用程序。事实上，C++让您能够在字节和比特级调整应用程序的性能。要编写高效地利用系统资源的程序，理解指针和引用是必不可少的一步。

在本章中，您将学习：
• 什么是指针；
• 什么是自由存储区；
• 如何使用运算符 new 和 delete 分配和释放内存；
• 如何使用指针和动态分配编写稳定的应用程序；
• 什么是引用；
• 指针和引用的区别；
• 什么情况下使用指针，什么情况下使用引用。

​ 第八章主要讨论了C++中的指针和引用，这两个概念是C++中非常重要的部分，它们允许程序员更直接地操作内存。以下是第八章的学习笔记概述：

8.1 什么是指针

• 指针定义：指针是存储另一个变量内存地址的变量。指针是一个变量，与所有变量一样，指针也占用内存空间。
• 声明指针：使用 PointedType * PointerVariableName; 格式声明。
• 初始化指针：通常初始化为 NULL 或 nullptr，防止未定义行为。

8.1.1 声明指针

• 指针需要明确指向的类型，如 int *pInt; 表示指向 int 类型的指针。
• 与大多数变量一样，除非对指针进行初始化，否则它包含的值将是随机的。您不希望访问随机的 内存地址，因此将指针初始化为 NULL。NULL 是一个可以检查的值，且不会是内存地址
• 与您学过的所有数据类型一样，除非对指针进行初始化，否则它包含的将是垃圾值。对 指针来说，这种垃圾值非常危险，因为指针包含的值被视为地址。未初始化的指针可能 导致程序访问非法内存单元，进而导致程序崩溃。

8.1.2 使用引用运算符（&）获取地址

• 使用 & 运算符获取变量的内存地址。
• 前面的输出表明， int 变量 age 的地址为 0x0045FE00，而 sizeof(int)为 4，因此 0x0045FE00-0x0045FE04 的 4 字节内存由 int 变量 age 占用。

8.1.3 使用指针存储地址

• 声明指针并使用 &variable 初始化，使其存储变量的地址。

8.1.4 使用解除引用运算符（*）访问指向的数据

• 使用 *pointer 来访问或修改指针指向的数据。

8.1.5 将 sizeof() 用于指针的结果

• sizeof 运算符对指针使用时，返回指针本身的大小，与指针所指向的类型无关。
• 您知道，指针是包含内存地址的变量。因此无论指针指向哪种类型的变量，其内容都是一个地址 —一个数字。在特定的系统中，存储地址所需的字节数是固定的。因此，将 sizeof( )用于指针时，结 果取决于编译程序时使用的编译器和针对的操作系统，与指针指向的变量类型无关
• 程序清单 8.6 的输出表明，将 sizeof 用于指针的结果为 4 字节，但在您的系统上结果可 能不同。这里的输出是使用 32 位编译器编译代码时得到的，如果您使用的是 64 位编 译器，并在 64 位系统上运行该程序，可能发现将 sizeof 用于指针的结果为 64 位，即 8 字节。

8.2 动态内存分配

• 使用 new 和 delete：动态分配和释放内存。
• 内存泄露：忘记使用 delete 释放内存导致的问题。

• 如果在程序中使用下面这样的数组声明：

  int myNums[100]; // a static array of 100 integers

  程序将存在两个问题。 1．这限制了程序的容量，无法存储 100 个以上的数字。 2．如果只需存储 1 个数字，却为 100 个数字预留存储空间，这将降低系统的性能。

  导致这些问题的原因是，数组的内存分配是静态和固定的。 要编写根据用户需要使用内存资源的应用程序，需要使用动态内存分配。这让您能够根据需要分 配更多内存，并释放多余的内存。为帮助您更好地管理应用程序占用的内存，C++提供了两个运算符 —new 和 delete。指针是包含内存地址的变量，在高效地动态分配内存方面扮演了重要角色。

8.2.1 使用 new 和 delete 动态地分配和释放内存

• new Type 分配单个元素的内存。
• new Type[numElements] 分配数组的内存。
• delete 释放单个元素的内存。
• delete[] 释放数组的内存。
• 不再使用分配的内存后，如果不释放它们，这些内存仍被预留并分配给您的应用程序。这将减少 可供其他应用程序使用的系统内存量，甚至降低您的应用程序的执行速度。这被称为内存泄露，应不 惜一切代价避免这种情况发生。
• 运算符 new 和 delete 分配和释放自由存储区中的内存。自由存储区是一种内存抽象，表 现为一个内存池，应用程序可分配（预留）和释放其中的内存。

8.2.2 将递增和递减运算符（++ 和 --）用于指针的结果

• 指针递增 ++ 移动到下一个元素的地址。
• 指针递减 -- 移动到上一个元素的地址。
• 将指针递增或递减的结果 将指针递增或递减时，其包含的地址将增加或减少指向的数据类型的 sizeof（并不一定是 1 字节）。 这样，编译器将确保指针不会指向数据的中间或末尾，而只会指向数据的开头。 如果声明了如下指针：Type* pType = Address; 则执行++pType 后，pType 将包含（指向）Address + sizeof(Type)。

8.2.3 将关键字 const 用于指针

• const 指针的不同类型和使用场景。
• 通过将变量声明为 const 的，可确保变量的取值在整个生命周期内都固定为初始值。 这种变量的值不能修改，因此不能将其用作左值。 指针也是变量，因此也可将关键字 const 用于指针。然而，指针是特殊的变量，包含内存地址，还 可用于修改内存中的数据块。因此，const 指针有如下三种。
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8.2.4 将指针传递给函数

• 如何通过指针向函数传递数据，并控制函数对数据的修改能力。

• 指针是一种将内存空间传递给函数的有效方式，其中可包含函数完成其工作所需的数据，也可包 含操作结果。将指针作为函数参数时，确保函数只能修改您希望它修改的参数很重要。例如，如果函 数根据以指针方式传入的半径计算圆的面积，就不应允许它修改半径。为控制函数可修改哪些参数以 及不能修改哪些参数，可使用关键字 const

8.2.5 数组和指针的类似之处

• 数组名本身就是一个指向数组首元素的指针。
• 换句话说，数组类似于在 固定内存范围内发挥作用的指针。可将数组赋给指针，如第 11 行所示，但不能将指针赋给数组，因为 数组是静态的，不能用作左值。myNumbers 是不能修改的。
• 使用运算符 new 动态分配的指针仍需使用运算符 delete 来释放，虽然其使用语法与静态 数组类似。牢记这一点很重要。 如果忘记这样做，应用程序将泄露内存，这很糟糕。
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8.3 使用指针时常犯的编程错误

• 内存泄露：忘记释放动态分配的内存。这可能是 C++应用程序最常见的问题之一：运行时间越长，占用的内存越多，系统越慢。如果在 使用 new 动态分配的内存不再需要后，程序员没有使用配套的 delete 释放，通常就会出现这种情况。

• 指针指向无效的内存单元：未初始化或错误的内存访问。使用运算符*对指针解除引用，以访问指向的值时，务必确保指针指向了有效的内存单元，否则程 序要么崩溃，要么行为不端。这看起来合乎逻辑，但一个非常常见的导致应用程序崩溃的原因就是无 效指针。指针无效的原因很多，但主要归结于糟糕的内存管理。

• 悬浮指针：使用已经释放的内存地址。悬浮指针（也叫迷途或失控指针） 使用 delete 释放后，任何有效指针都将无效。换言之，在程序清单 8.13 中，即便在第 22 行前指针 isSunny 是有效的，但第 22 行调用 delete 后，它也变成无效的了，不应再使用。 为避免这种问题，很多程序员在初始化指针或释放指针后将其设置为 NULL，并在使用运算符*对 指针解除引用前检查它是否有效（将其与 NULL 比较）。

8.3.4 检查使用 new 发出的分配请求是否得到满足

• 在前面的代码中，我们都假定 new 将返回一个指向内存块的有效指针。事实上，除非请求分配的 内存量特大，或系统处于临界状态，可供使用的内存很少，否则 new 一般都能成功
• 有些应用程序需 要请求分配大块的内存（如数据库应用程序），因此最好不要假定内存分配能够成功。C++提供了两种 确认指针有效的方法，默认方法是使用异常（这也是前面一直使用的方法），即如果内存分配失败，将 引发 std::bad_alloc 异常。这导致应用程序中断执行，除非您提供了异常处理程序，否则应用程序将崩 溃，并显示一条类似于“异常未处理”的消息。

8.4 指针编程最佳实践

• 初始化指针。
• 仅在指针有效时使用。
• 使用 new 分配的内存，必须使用 delete 释放。
• 释放内存后，不再访问该内存。

8.5 引用是什么

• 引用定义：引用是另一个变量的别名。
• 使用 & 声明引用，如 Type& reference = variable;。

8.5.1 是什么让引用很有用

• 引用用于函数参数，避免复制，提高效率。

8.5.2 将关键字 const 用于引用

• const 引用不能修改其指向的变量的值。

• //可能需要禁止通过引用修改它指向的变量的值，为此可在声明引用时使用关键字 const：
  int original = 30; 
  const int& constRef = original; 
  constRef = 40; // Not allowed: constRef can’t change value in original 
  int& ref2 = constRef; // Not allowed: ref2 is not const
  const int& constRef2 = constRef; // OK 
  

8.5.3 按引用向函数传递参数

• 使用引用传递可以避免复制大对象，提高性能。

• 引用的优点之一是，可避免将形参复制给形参，从而极大地提高性能。然而，让被调用的函数直 接使用调用函数栈时，确保被调用函数不能修改调用函数中的变量很重要。为此，可将引用声明为 const 的，如程序清单 8.19 所示。const 引用参数不能用作左值，因此试图给它们赋值将无法通过编译。

• 

• 在前一个程序中，使用同一个参数来接受输入和存储结果，但这里使用了两个参数，一个用于接 受输入，另一个用于存储运算结果。为禁止修改传入的值，必须使用关键字 const 将其声明为 const 引 用，如第 3 行所示。这让 number 自动变为输入参数—其值不能修改的参数。 您可以尝试修改第 5 行，使其像程序清单 8.18 那样返回平方值： number *= number; 这将导致编译错误，指出 const 值不能修改。这说明 const 引用将参数标识为输入参数，并禁止对 其进行修改。乍一看，这可能微不足道，但在多名程序员合作编程时，编写第一个版本的人和改进的 人可能不同，通过使用 const 引用可提高编程质量。

ber; 这将导致编译错误，指出 const 值不能修改。这说明 const 引用将参数标识为输入参数，并禁止对 其进行修改。乍一看，这可能微不足道，但在多名程序员合作编程时，编写第一个版本的人和改进的 人可能不同，通过使用 const 引用可提高编程质量。
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