【C++基础】10. 指针

• 指针的作用：通过指针，可以简化一些 C++ 编程任务的执行，还有一些任务，如动态内存分配，没有指针是无法执行的。
• 内存和指针的关系：每一个变量都有一个内存位置（理解为：每一个变量在内存中都占有一个位置 / 占用一定内存空间），每一个内存位置都定义了可使用连字号（&）运算符访问的地址，它表示了在内存中的一个地址。 内存位置相当于房间，地址相当于门牌号。

【 1. 指针的定义 】

• 指针是一个变量，其值为另一个变量的地址，即，内存位置的直接地址。
• 不同数据类型的指针都是一个代表内存地址的长的十六进制数 。唯一的不同是，指针所指向的变量或常量的数据类型不同。
• 指针变量声明的一般形式为：
  • type 是指针的基类型，它必须是一个有效的 C++ 数据类型；
  • 用来声明指针的星号 * 与乘法中使用的星号是相同的，但在这个语句中，星号用来指定一个变量是指针；
  • var-name 是指针变量的名称。

type *var-name;

• 实例：有效的指针声明：

int    *ip;    /* 一个整型的指针 */
double *dp;    /* 一个 double 型的指针 */
float  *fp;    /* 一个浮点型的指针 */
char   *ch;    /* 一个字符型的指针 */

【 2. 指针的调用 】

• 使用指针时会频繁进行以下几个操作：① 定义一个指针变量、② 把变量地址赋值给指针、③ 访问指针变量中可用地址的值。这些是通过使用一元运算符 * 来返回位于操作数所指定地址的变量的值。

#include 
using namespace std;

int main ()
{
   int  var = 20;   // 实际变量的声明
   int  *ip;        // 指针变量的声明

   ip = &var;       // 在指针变量中存储 var 的地址

   cout << "Value of var variable: ";
   cout << var << endl;

   // 输出在指针变量中存储的地址
   cout << "Address stored in ip variable: ";
   cout << ip << endl;

   // 访问指针中地址的值
   cout << "Value of *ip variable: ";
   cout << *ip << endl;

   return 0;
}

【 3. NULL 空指针 】

• 在变量声明的时候，如果没有确切的地址可以赋值，为指针变量赋一个 NULL 值（即指向地址为0的内存）是一个良好的编程习惯。赋为 NULL 值的指针被称为 空指针。
• NULL 指针是一个定义在标准库中的值为零的常量。
• 地址为0的内存： 在大多数的操作系统上，程序不允许访问地址为 0 的内存，因为该内存是操作系统保留的。然而 指向内存地址 0的NULL空指针表明该指针不指向一个可访问的内存位置。但按照惯例，如果指针包含空值（零值），则假定它不指向任何东西。
• 实例：

#include 

using namespace std;

int main ()
{
   int  *ptr = NULL; // ptr为NULL指针，指向地址为0的内存
   cout << "ptr 的值是 " << ptr ;
   if 0  // 测试查看ptr指向的值，报错说明地址为0的内存不可访问
      cout << "*ptr 的值是 " << *ptr ;
   end
   return 0;
}

• 检查一个指针是否是空指针：

if(ptr)     /* 如果 ptr 非空，则完成 */
if(!ptr)    /* 如果 ptr 为空，则完成 */

• NULL指针的意义：很多时候，未初始化的变量存有一些垃圾值，导致程序难以调试。因此， 如果所有未使用的指针都被赋予空值，同时避免使用空指针，就可以 防止误用一个未初始化的指针。

【 4. 指针的算术运算 】

• 指针的值表示地址，但归根到底还是一个变量。因此，我们可以对指针执行算术运算。
• 可以对指针进行四种算术运算：++、- -、+、-。
• 指针运算的基本单元 = 指针指向变量的数据类型所占字节大小 。

• 假设 ptr 是一个指向地址 1000 的整型指针，是一个 32 位的整数，我们对该指针执行下列的算术运算：ptr++;
  在执行完上述的运算之后，ptr 将指向位置 1004，因为 ptr 每增加一次，它都将指向下一个整数位置，即当前位置往后移 4 个字节。这个运算会在不影响内存位置中实际值的情况下，移动指针到下一个内存位置。
• 如果 ptr 指向一个地址为 1000 的字符，上面的运算会导致指针指向位置 1001，因为下一个字符位置是在 1001。

4.1 指针的递加

• 实例：下面的程序递增变量指针，以便顺序访问数组中的每一个元素

#include 

using namespace std;
const int MAX = 3;

int main ()
{
   int  var[MAX] = {10, 100, 200};
   int  *ptr;

   // 指针中的数组地址
   ptr = var;
   for (int i = 0; i < MAX; i++)
   {
      cout << "Address of var[" << i << "] = ";
      cout << ptr << endl;

      cout << "Value of var[" << i << "] = ";
      cout << *ptr << endl;

      // 移动到下一个位置
      ptr++;
   }
   return 0;
}

4.2 指针的递减

• • 实例：下面的程序递减变量指针，以便顺序访问数组中的每一个元素。

#include 

using namespace std;
const int MAX = 3;

int main ()
{
   int  var[MAX] = {10, 100, 200};
   int  *ptr;

   // 指针中最后一个元素的地址
   ptr = &var[MAX-1];
   for (int i = MAX; i > 0; i--)
   {
      cout << "Address of var[" << i << "] = ";
      cout << ptr << endl;

      cout << "Value of var[" << i << "] = ";
      cout << *ptr << endl;

      // 移动到下一个位置
      ptr--;
   }
   return 0;
}

4.3 指针的比较

• 指针可以用关系运算符进行比较，如 ==、< 和 >。如果 p1 和 p2 指向两个相关的变量，比如同一个数组中的不同元素，则可对 p1 和 p2 进行大小比较。
• 下面的程序修改了上面的实例，只要变量指针所指向的地址小于或等于数组的最后一个元素的地址 &var[MAX - 1]，则把变量指针进行递增：

#include 

using namespace std;
const int MAX = 3;

int main ()
{
   int  var[MAX] = {10, 100, 200};
   int  *ptr;

   // 指针中第一个元素的地址
   ptr = var;
   int i = 0;
   while ( ptr <= &var[MAX - 1] )
   {
      cout << "Address of var[" << i << "] = ";
      cout << ptr << endl;

      cout << "Value of var[" << i << "] = ";
      cout << *ptr << endl;

      // 指向上一个位置
      ptr++;
      i++;
   }
   return 0;
}

【 5. 指针与数组 】

5.1 通过指针操作数组

• 我们经常在程序中使用指针存储数组首元素的地址，即指针指向数组首元素。这是因为 指针作为一个变量可以递增，而 数组名本身就是一个常指针，不能赋值。

#include 

using namespace std;
const int MAX = 3;

int main ()
{
   int  var[MAX] = {10, 100, 200};
   int *ptr;
   ptr= var;
	
   for (int i = 0; i < MAX; i++)
   { 
	 if (1) // 正确的 
	 {
	 	cout<< *ptr <<endl;
	 	ptr++;
	 }
	 else // 错误的
	 {
	 	cout<< *var  <<endl; 
	 	//var++; // 数组名是常指针，不能被赋值
	 }
   }
   return 0;
}

• 通过指针修改数组元素值

*(var + 2) = 500;

5.2 指针数组、数组指针

• 详见文章：指针数组、数组指针

【 6. 指向指针的指针(多级间接寻址)】

• 指向指针的指针是一种多级间接寻址的形式，或者说是一个指针链。通常，一个指针包含一个变量的地址。当我们定义一个指向指针的指针时， 第一个指针包含了第二个指针的地址，第二个指针指向包含实际值的地址。
• 一个指向指针的指针变量必须如下声明，即 在变量名前放置两个星号。如下声明了一个指向 int 类型指针的指针：

int **var;

• 实例：当一个目标值被一个指针间接指向到另一个指针时，访问这个值需要使用两个星号运算符：

#include 

using namespace std;

int main ()
{
    int  var;
    int  *ptr;
    int  **pptr;

    var = 3000;

    // 获取 var 的地址
    ptr = &var;

    // 使用运算符 & 获取 ptr 的地址
    pptr = &ptr;

    // 使用 pptr 获取值
    cout << "var 值为 :" << var << endl;
    cout << "*ptr 值为:" << *ptr << endl;
    cout << "**pptr 值为:" << **pptr << endl;

    return 0;
}

【 7. 传递指针给函数 】

• C++ 允许我们传递指针给函数，只需简单地声明函数参数为指针类型即可。
• 指针作为函数形参时，若在函数内部改变了指针所指向变量的值，则调用完该函数后该变量的值也会变化，因为这是直接对指针所指向的内存地址中的数据进行操作的。
• 实例

#include 
#include 

using namespace std;
void getSeconds(unsigned long *par)
{
   // 获取当前的秒数
   *par = time( NULL );
   return;
}

int main ()
{
   unsigned long sec;


   getSeconds( &sec );

   // 输出实际值
   cout << "Number of seconds :" << sec << endl;

   return 0;
}

• 实例：数组名作为函数形参

#include 
using namespace std;

// 函数声明
double getAverage(int *arr, int size);

int main ()
{
   // 带有 5 个元素的整型数组
   int balance[5] = {1000, 2, 3, 17, 50};
   double avg;

   // 传递一个指向数组的指针作为参数
   avg = getAverage( balance, 5 ) ;

   // 输出返回值
   cout << "Average value is: " << avg << endl; 

   return 0;
}

double getAverage(int *arr, int size)
{
  int    i, sum = 0;       
  double avg;          

  for (i = 0; i < size; ++i)
  {
    sum += arr[i];
   }

  avg = double(sum) / size;

  return avg;
}

【 8. 函数返回指针 】

• 从函数返回指针，一般形式：

int * myFunction()
{
	...
}

• C++ 不支持在函数外返回局部变量的地址，除非定义局部变量为 static 变量 。
• 实例：生成 10 个随机数，并使用表示指针的数组名（即第一个数组元素的地址）来返回它们，具体如下：

#include 
#include 
#include 

using namespace std;

// 要生成和返回随机数的函数
int * getRandom( )
{
  static int  r[10];

  // 设置种子
  srand( (unsigned)time( NULL ) );
  for (int i = 0; i < 10; ++i)
  {
    r[i] = rand();
    cout << r[i] << endl;
  }

  return r;
}

// 要调用上面定义函数的主函数
int main ()
{
   // 一个指向整数的指针
   int *p;

   p = getRandom();
   for ( int i = 0; i < 10; i++ )
   {
       cout << "*(p + " << i << ") : ";
       cout << *(p + i) << endl;
   }

   return 0;
}