C-语言特性相关

鞥牧魂人2024-07-04 15:31
左值和右值

左值和右值是C/C++编程语言中的两个重要概念，它们在赋值、引用以及类型转换等方面表现出明显的区别。

定义：
  • 左值：表示存储在计算机内存中的对象，具有持久性和可寻址性。即，左值能够用"取地址&"运算符获得其内存地址，且在表达式结束后依然存在。左值可以出现在赋值语句的左侧，也可以出现在右侧。
  • 右值：与左值相对，右值通常表示临时对象，它们不具有持久性和可寻址性。即，右值不能用"取地址&"运算符获得其内存地址，且在表达式结束后就不再存在。右值只能出现在赋值语句的右侧。
左/右值引用
  • 左值引用：左值引用是对左值的引用，即给左值取别名。左值引用在C++中的内部实现通常是一个常量指针，左值引用可以引用非常量左值和常量左值，但不能直接引用右值。
  • 右值引用 ：右值引用是C++11中引入的新特性，用于引用右值。它允许程序员延长临时对象的生命周期，并在需要时移动资源而不是复制资源。用 && 表示，右值引用只能绑定到右值上，不能绑定到左值上（除非通过 std::move 强制转换）
转换
  • 左值到右值的隐式转换：在大多数情况下，左值可以隐式地转化为右值。例如，在赋值操作中，左侧的左值会"退化"为右值，以便与右侧的右值进行匹配。
  • 右值到左值的显式转换 ：右值到左值的显式转化通常是不允许的，因为右值在表达式结束后就不再存在。然而，通过 std::move 可以将左值强制转化为右值引用，从而允许对其进行移动操作。
std::move

  • 类型转换： 并不实际移动任何数据，而是将其参数转换为右值引用，从而允许利用移动语义（如果可用）进行资源的转移，而不是复制。

  • 函数原型 ：std::move() 函数原型：move 函数是将任意类型的左值转为其类型的右值引用。

指针

在C++中，指针是一种非常基础且强大的特性，它允许你直接访问和操作内存地址。指针存储了变量的内存地址，而不是变量的值本身。

  • 大小：sizeof获得
cpp 复制代码 
    std::cout << "Size of pointer: " << sizeof(int*) << std::endl; // 输出指针大小
  • 用法：基本用法包括声明、初始化、解引用（或取值）、指针运算等
cpp 复制代码 
//声明和初始化
int a = 10;  
int* ptr = &a; // ptr 是一个指向 int 类型的指针，它存储了变量 a 的地址

//解引用,使用 * 运算符来访问指针所指向的值：
std::cout << *ptr << std::endl; // 输出 10

//指针运算，指针可以进行算术运算，但仅限于加上或减去整数（表示偏移量），以及指针之间的比较。
int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};  
int* p = arr; // p 指向数组的第一个元素  
std::cout << *(p + 2) << std::endl; // 输出 3，因为 p+2 指向了数组的第三个元素
  • 注意事项：
  1. 空指针 ：未初始化的指针是未定义的，可能指向任意内存地址。通常将指针初始化为nullptr（C++11及以后）或NULL（C++11之前，但在C++11中已不推荐使用）来避免野指针问题。
  2. 越界访问：指针运算时要小心，确保不要越界访问内存。
  3. 悬挂指针 ：如果指针指向的对象被删除或释放，但该指针未被设置为nullptr，则该指针成为悬挂指针。尝试通过悬挂指针访问内存是未定义行为。
  4. 内存泄漏 ：使用动态内存分配（如new）时，要确保在适当的时候释放内存（使用delete），以避免内存泄漏。
  5. 智能指针 ：C++11及以后版本中引入了智能指针（如std::unique_ptr、std::shared_ptr等），它们可以自动管理动态分配的内存，减少内存泄漏的风险。
  6. 指针和数组：在C++中，数组名在大多数情况下会被视为指向数组首元素的指针。但是，这种用法有一些陷阱，比如数组名本身不是一个可修改的左值。
指针和引用区别

指针和引用的主要区别可以简单归纳如下：

  1. 定义与性质：

    • 指针：是一个变量，存储的是另一个变量的内存地址。
    • 引用：是某个变量的别名，与原变量共享同一块内存空间，实质上是同一个东西。

  2. 内存分配：

    • 指针：需要分配内存空间来存储地址值。
    • 引用：不需要分配额外的内存空间，它只是一个别名。

  3. 初始化和赋值：

    • 指针：可以在定义时不初始化，之后可以指向任何有效的内存地址，包括NULL。
    • 引用：必须在定义时初始化，且之后不能再改变为引用另一个变量。

  4. 多级性：

    • 指针：可以有多级，例如指向指针的指针。
    • 引用：只能是一级的，不能有多级引用。

  5. 空值：

    • 指针：可以为空（NULL或nullptr）。
    • 引用：不能为NULL，必须始终引用一个有效的对象。

  6. sizeof运算符：

    • 指针：使用sizeof返回的是指针本身的大小（通常是4字节或8字节，取决于系统架构）。
    • 引用：使用sizeof返回的是被引用变量的大小。

  7. 运算操作：

    • 指针：支持算术运算（如加减）和比较运算。
    • 引用：不支持算术运算，主要用于别名访问。

  8. 函数参数：

    • 指针和引用作为函数参数时，都可以改变实参的值，但引用在语法上更为简洁，且使用上更安全。

  9. 安全性：

    • 指针：使用时需要更加小心，因为错误的指针操作可能导致程序崩溃或安全问题。
    • 引用：相对更安全，因为它在定义时必须初始化，并且不能改变为引用另一个变量。
常量指针和指针常量

常量指针和指针常量在C++中是两种常见的指针类型，尽管它们都涉及到const关键字，但它们的含义和应用场景存在明显的区别。以下是对这两种指针的详细比较：

本质区别
  • 常量指针 ：本质上是一个指针，const修饰的是指针指向的内容，表示该指针指向一个"常量"，即指针指向的变量的值不能通过该指针来改变。
  • 指针常量 ：本质上是一个常量，const修饰的是指针本身，表示该常量是一个指针类型的常量，即指针的值（即它所指向的地址）不能改变。
声明方式
  • 常量指针 ：通常声明为const 数据类型 *指针变量名，例如const int *p = &a;，这里p是一个指向整型常量的指针，不能通过p来修改a的值，但p可以指向另一个整型变量的地址。
  • 指针常量 ：通常声明为数据类型 * const 指针变量名，例如int *const q = &a;，这里q是一个指针常量，它的值（即它指向的地址）不能被修改，但可以通过q来修改它所指向的变量的值（如果那个变量不是常量的话）。
应用场景

  • 常量指针：常用于需要保护数据不被意外修改的场景，同时又想通过指针来访问这些数据。

  • 指针常量：常用于需要确保指针始终指向同一个地址的场景，比如某些资源的句柄或引用，一旦初始化后就不应该再指向其他地址。

  • 常量指针示例：

    cpp 复制代码 
    int a = 10;
const int *p = &a; // p 是常量指针，指向 a
// *p = 20; // 编译错误，不能通过 p 修改 a 的值
p = &b; // 正确，p 可以指向另一个变量 b

  • 指针常量示例：

    cpp 复制代码 
    int a = 10;
int *const q = &a; // q 是指针常量，指向 a
*q = 20; // 正确，可以通过 q 修改 a 的值
// q = &b; // 编译错误，q 不能指向其他地址
函数指针

函数指针是C和C++语言中的一个特性，它允许程序员将函数的地址存储在变量中，并通过这个变量来调用函数。函数指针的概念是高级且强大的，因为它提供了一种机制来动态地调用不同的函数，基于运行时条件。

函数指针的声明

函数指针的声明需要指定函数返回值的类型、函数名（在这里我们使用指针名代替）以及函数的参数列表（包括参数的类型和数量）。但是，在声明函数指针时，我们不需要函数名，而是使用指针名来引用这个函数。

例如，假设我们有一个函数原型如下：

c 复制代码 
int add(int a, int b);

要声明一个指向这个函数的指针，我们可以这样写：

c 复制代码 
int (*ptrToAdd)(int, int);

这里，ptrToAdd是一个指针，它指向一个函数，该函数接受两个int类型的参数并返回一个int类型的值。

函数指针的赋值

一旦我们声明了函数指针，就可以将函数的地址赋给它。在C和C++中，函数名就代表了函数的地址，因此我们可以直接将函数名赋给函数指针。

c 复制代码 
ptrToAdd = add; // 将add函数的地址赋给ptrToAdd
通过函数指针调用函数

有了函数指针之后，我们就可以通过这个函数指针来调用函数了。调用方式是通过解引用函数指针，并像调用普通函数一样传递参数。

c 复制代码 
int result = ptrToAdd(5, 3); // 等同于调用 add(5, 3)
函数指针的应用

函数指针在C和C++中有很多应用，包括但不限于：

  • 回调函数：在某些API中，你可以将函数指针作为参数传递给另一个函数，这个被传递的函数指针指向的函数会在某个特定事件发生时被调用。
  • 排序函数 ：例如，在C标准库中的qsort函数，它接受一个比较函数的指针作为参数，这个比较函数用于定义排序的准则。
  • 动态函数表：通过函数指针数组，可以实现基于运行时条件的函数选择，这在实现多态或构建插件系统时非常有用。
  • 事件处理：在图形用户界面（GUI）编程中，事件处理函数通常是通过函数指针来指定的，这样当特定事件（如按钮点击）发生时，相应的函数就会被调用。
值/引用/指针传递

在参数传递中，值传递、引用传递和指针传递是C++（以及C语言）中常见的三种方式，它们各自具有不同的特点和用途。以下是这三种传递方式的详细区别：

值传递（Pass by Value）

定义：值传递时，形参是实参的副本（复制、拷贝）。即函数接收的是实参的一个拷贝，函数体内对形参的任何修改都不会影响到实参。

特点：

  • 单向性：数据只能从实参传递到形参，不能反向传递。
  • 独立性：形参和实参是两个独立的变量，它们占据不同的内存空间。
  • 效率：对于大型对象或结构体，值传递可能会导致较高的内存开销和性能损耗，因为需要复制整个对象。

示例：

cpp 复制代码 
void swap(int a, int b) {
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
    // 这里a和b的交换不会影响实参
}
引用传递（Pass by Reference）

定义：引用传递时，实参的引用（即内存地址）被传递给形参。形参和实参指向同一块内存地址，因此函数体内对形参的修改会直接影响到实参。

特点：

  • 双向性：数据可以在实参和形参之间双向传递。
  • 共享性：形参和实参共享同一块内存空间，对形参的修改会反映到实参上。
  • 效率：对于大型对象或结构体，引用传递可以避免不必要的复制，提高效率。

示例：

cpp 复制代码 
void swap(int& a, int& b) {
    int temp = a;
    a = b;
    b = temp;
    // 这里a和b的交换会影响实参
}
指针传递（Pass by Pointer）

定义：指针传递时，实参的地址（即指针）被传递给形参。形参是一个指针变量，它存储了实参的地址，因此函数体内可以通过解引用形参来修改实参的值。

特点：

  • 间接访问：通过指针可以间接访问和修改实参的值。
  • 灵活性：指针传递提供了更高的灵活性，可以动态地修改多个变量的值。
  • 风险：指针操作相对复杂，容易出错，如野指针、空指针解引用等问题。

示例：

cpp 复制代码 
void swap(int* a, int* b) {
    int temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
    // 这里通过解引用指针来交换实参的值
}
适用
  • 值传递：适用于不需要修改实参的场景，或者实参是基本数据类型时。
  • 引用传递：适用于需要修改实参的场景，特别是当实参是大型对象或结构体时，可以提高效率。
  • 指针传递：提供了更高的灵活性，但也需要更谨慎的操作，以避免指针相关的错误。
迭代器

迭代器模式（Iterator Pattern）是一种行为型设计模式，它提供了一种方法顺序访问一个容器对象中的各个元素，而又不暴露其内部的细节。

迭代器模式的核心思想是将集合的遍历功能从集合对象中分离出来，形成一个独立的迭代器对象来管理访问集合元素的逻辑。

  • 迭代器为不同数据结构提供统一的访问接口，使得遍历数据变得简单统一，同时支持高效处理大型数据集，通过逐个访问元素节省内存资源。

  • 迭代器不仅限于遍历，还能与算法结合实现复杂数据处理，支持惰性计算，提升代码可读性和可维护性，是现代编程中不可或缺的工具。

野指针和悬空指针

野指针和悬空指针是编程中常见的两种指针问题，它们通常会导致程序出现不可预测的行为和潜在的错误。

野指针（Wild Pointer）

定义 ：

野指针是指向一个已删除的对象或未申请访问受限内存区域的指针。野指针的值是不确定的，可能指向任何位置，包括操作系统不允许访问的内存区域。

危害 ：

访问野指针通常会导致程序崩溃或未定义行为，因为它可能指向任意内存地址，包括操作系统不允许访问的内存区域。

成因：

  • 指针变量未初始化：任何指针变量刚被创建时不会自动成为NULL指针，它的缺省值是随机的。如果指针变量在创建时没有初始化，它将指向一个不确定的内存地址，从而成为野指针。
  • 指针释放之后未置空：有时指针在free或delete后未赋值NULL，此时指针仍然指向已被释放的内存地址，但该内存可能已经被系统重新分配给其他对象，因此该指针成为野指针。
  • 指针操作超越变量作用域：例如，函数返回指向栈内存的指针或引用，因为栈内存在函数结束时会被释放，返回的指针将成为野指针。

预防措施：

  • 初始化时置NULL：指针变量在创建时应立即初始化为NULL或有效的内存地址。
  • 释放时置NULL：当指针指向的内存空间释放时，应立即将指针置为NULL，防止产生野指针。
  • 避免返回局部变量的地址：不要从函数中返回局部变量的地址，因为局部变量在函数返回后会被销毁。
悬空指针（Dangling Pointer）

定义 ：

悬空指针是指一个曾经指向有效内存区域，但由于该内存区域已经被释放或变得无效，因此现在指向一个不再可用的内存地址的指针。

危害 ：

尝试通过悬空指针访问内存通常会导致程序崩溃或未定义行为，因为指针指向的内存区域已经不再可用。

成因：

  1. 内存释放后继续使用：动态分配的内存被释放（如使用free()函数），但指针仍然指向原来的内存地址。
  2. 函数返回局部变量的地址：与野指针类似，但悬空指针特指在内存被释放后仍然指向该内存地址的情况。
  3. 使用已经释放的资源：例如，文件被关闭后，仍然使用指向该文件的指针。

预防措施：

  • 释放内存后置空指针：在使用free()或delete释放动态分配的内存后，立即将指针置为NULL。
  • 避免返回局部变量的地址：同上，不要从函数中返回局部变量的地址。
  • 谨慎使用动态内存分配：尽量减少动态内存分配的使用，特别是在不需要的情况下。如果必须使用，确保正确管理内存的生命周期。
nullptr 与 NULL
  • NULL：预处理变量，是一个宏，它的值是 0，定义在头文件 中，即 #define NULL 0。
  • nullptr：C++ 11 中的关键字，是一种特殊类型的字面值，可以被转换成任意其他类型。
nullptr优势：
  • 有类型，类型是 typdef decltype(nullptr) nullptr_t;，使用 nullptr 提高代码的健壮性。
  • 函数重载：因为 NULL 本质上是 0，在函数调用过程中，若出现函数重载并且传递的实参是 NULL，可能会出现不知和哪一个函数匹配的情况；但是传递实参 nullptr 就不会出现这种情况。
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