c++ 指针参数传递的深层原理

指针参数传递的深层原理

理解为什么可以修改指针指向的内容但不能直接修改指针本身，需要深入理解指针在内存中的表示方式和函数参数传递机制。

1. 指针的内存表示

指针本质上是一个变量，它存储的是另一个变量的内存地址。在内存中：

假设有:
int a = 10;
int* p = &a;

内存布局可能如下：

地址   | 变量名 | 值
0x1000 | a      | 10    (int)
0x2000 | p      | 0x1000 (指向a的指针)

2. 函数参数传递机制

当传递指针给函数时，发生的是值传递，即传递指针值的拷贝：

void func(int* ptr) {
    // ptr是p的副本，指向相同地址
    *ptr = 20;  // 修改指向的内容
    ptr = nullptr; // 只修改副本
}

int main() {
    int a = 10;
    int* p = &a;
    func(p);
    // p仍然指向a，a的值变为20
}

内存中的变化过程：

1. 调用前：

   [main栈帧]
   0x3000: p = 0x1000
   
   [全局内存]
   0x1000: a = 10

2. 调用func§时：

   • 创建ptr副本（值=0x1000）

     [func栈帧]
     0x4000: ptr = 0x1000 (p的拷贝)

3. 执行*ptr = 20：

   • 通过ptr找到0x1000位置

   • 修改该位置的值

     [全局内存]
     0x1000: a = 20

4. 执行ptr = nullptr：

   • 只修改func栈帧中的副本

     [func栈帧]
     0x4000: ptr = nullptr

   • main中的p不受影响

3. 为什么可以修改指向的内容

因为指针副本和原指针存储的是相同的地址值，所以通过这个地址可以访问和修改同一块内存：

原始指针 p: 0x1000 → [a的内存]
副本指针 ptr: 0x1000 → [同一块a的内存]

解引用操作 (*ptr) 是通过地址访问内存，不受指针副本的影响。

4. 为什么不能修改指针本身

因为函数内部操作的是指针的副本，对副本的赋值不会影响原始指针：

原始指针 p: 0x1000
副本指针 ptr: 0x1000 → 修改为nullptr

修改ptr只是改变了函数栈帧中的副本，main中的p保持不变。

5. 类比说明

可以把指针想象成一个便签纸：

• 原始指针：你手中写着地址的便签
• 指针参数 ：复印了这个便签给朋友
  • 朋友可以用便签上的地址找到你家并重新装修（修改内容）
  • 朋友如果扔掉或修改他的复印件（修改指针本身），不会影响你手中的原件

6. 底层汇编视角

x86-64汇编示例：

; C代码: *ptr = 20;
mov rax, QWORD PTR [rbp-8]  ; 从栈加载ptr的值(地址)到rax
mov DWORD PTR [rax], 20     ; 向该地址写入20

; C代码: ptr = nullptr;
mov QWORD PTR [rbp-8], 0    ; 只修改栈上的副本

可以看到修改内容是通过指针值间接寻址，而修改指针本身只是修改局部变量。

7. 正确修改指针的方法

如果需要修改指针本身（而不仅是指向的内容），必须传递指针的地址或引用：

方法1：二级指针

void alloc(int** pp) {
    *pp = new int(10);  // 解引用二级指针修改原始指针
}

int main() {
    int* p;
    alloc(&p);  // 传递指针的地址
}

方法2：指针引用（C++推荐）

void alloc(int*& pRef) {
    pRef = new int(10);  // 直接修改引用绑定的指针
}

int main() {
    int* p;
    alloc(p);
}

8. 总结要点

1. 指针参数传递的是指针值的拷贝（地址值的副本）
2. 通过副本指针可以修改原始数据（因为地址相同）
3. 修改副本指针本身（改变它存储的地址）不影响原始指针
4. 要修改指针本身需要传递指针的指针或指针的引用
5. 这是C/C++函数参数"值传递"特性的直接结果

理解这一机制对于正确使用指针和避免内存错误至关重要。