C++指针与引用(Pointers OR References)

一、Pointers

Pointer是指针,可以用来指向任何一个objects,包括一般变量:

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1 int  i = 3;
2 int * pi = &i;
3 cout << pi << endl; // 0x0064FDF0
4 cout << *pi << endl; // 3

此时pi本身内含i的地址,要取出pi所指向的object,可以使用*运算符(dereference operator).Pointer也可以用来指向任何一个class type objects。由于下面的pPoint指向一整个大结构(一个object),如果要取用其中的members(data members 或member functions都可以,只要他们的封装等级是public),必须使用--->运算符(arrow operator),例如:

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1 class CPoint { public: float _x, _y, _z; };
2 CPoint  * pPoint = new CPoint;
3 cout << pPoint << endl; // 0x00770560
4 pPoint->_x = 9.28;
5 cout << pPoint->_x << endl; // 9.28

Pointer 甚至可以指向一个不明对象(void):

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1 void * pv;
2 pv = malloc(1024); // 配置 1024 bytes(来自 heap)
3 cout << pv << endl; // 0x00760A14

此时如果要提取 pv 所指的对象,不可以,会出现编译出错:

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1 cout << *pv << endl; // error C2100: illegal indirection

也说是说,pointer本身没有意义,它的意义来自于它的类型,因此,将pointer前进一个单位,究竟是前进多少个bytes呢?那要看pointer的类型,如果将int *pi和CPoint *pPoint各加1,得到:

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1 cout << ++pi << endl; // 0x0064FDF4,比原先增加 4
2 cout << ++pPoint << endl; // 0x0077056C,比原先增加 12

这是因为在32位的系统中int为4 bytes,而我们设计的CPoint里面有一个float数据,大小为12bytes,所以各指针累加1时,分别前进4bytes和12bytes。如果把一个指向不明对象的指针加1,会得到什么结果呢?不会有结果,只会编译出错:

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1 cout << ++pv << endl; // error C2036: 'void *' : unknown size

当然,如果你做了强转型(cast)动作,就可以解决"不明对象"的问题,因为你赋予了该指针一个明确的类型,例如:

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1 double * pd = (double*)pv; // 强转型。double is 8 bytes.
2 cout << pd << endl; // 0x00760A14
3 cout << ++pd << endl; // 0x00760A1C,比原先增加 8

下表是上述验证结果的一个整理:

当我们开始设计classes继承体系,有许多时候需要把一个pointer指向一个类型不符的object(但彼此类型又有继承的关系存在,这其实正是polymorphism的一个精髓),这时候类型的转换就非常重要。强制转型太过粗暴,在不够安全的时候仍然强转换,存在风险。C++有其它更精致的转型工具,我们后续再谈。

Pointer不但可以指向object,还可以指向class的data members或member functions。它们的形式有点怪,结果也可能出人意外,这些问题我们后续再谈。

二、References

与pointer常常相提并论,并且常常被混淆不清的是所谓的reference。Reference(&)像是一个常数指针,可以被自动提取(dereference)。下面这个例子就是使r成为x的一个reference:

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1 int x;
2 int& r = x; // r is a reference of x

当一个refernce产生,它必须被初始化为某个原已存在的object,像上面那样,如查我写:

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1 int& q = 12;

那么编译器会先配置一块int内存空间,将内容设为12,然后把q这个reference"捆绑"到该空间上。重点是,任何reference都必须被"捆绑"到某一个空间,成为一个"化身"。当你处理该reference,你就是在处理那个被捆绑的空间。如果:

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1 int x = 0;
2 int& r = x; // r is a reference of x
3 int* p = &x; // p is a pointer to x
4 r++; // 请注意:sizeof(r) == sizeof(x)

那么r和x的现值都为1,因为增加r的值就是增加x 的值。

面对reference,最简单的想像就是,把它幻想为一个形式漂亮的pointer。这个形式漂亮的pointer好处是,我们不需要担心它是否被初始化(编译器会强迫做),也需要担心何提取(dereference)它(同样的,编译器会负责)。Refernce虽然在本质上是一个指针,在形式却是个object。也就是因为其形式漂亮,而本质实用(用于call by refernce),所以refernce常被用于函数的参数列表(arguments list)和回传值(return value)。下面就是个例子:

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 1 int* funcl(int* x)
 2 {
 3     (*x)++;
 4     return x;
 5 }
 6 
 7 int& func2(int& x)
 8 {
 9     x++;
10     return x;
11 }
12 
13 int main()
14 {
15    int a=0;
16    //ugly but explictit,你可以你可以清楚看到传給 func1() 的是个指针。
17    //传回值的形式也很「难看」。
18    cout<<*funcl(&a)<<endl;
19    // clean but hidden。传給 func2() 的其实是个指针(借助 reference)。
20    // 但你看不出來。传回的也是指针(借助 reference),你也看不出來。
21    cout<<func2(a)<<endl;
22    23     return 0;
24 }
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