C++中的指针、引用和数组

参考文档：《21天学通C++（第8版）》

C++中对于指针、引用和数组使用时，充斥着 * 、& 、[]符号，对于像我这样的初学者面对这些符号难免会陷入混乱。

当然，C++中对符号 * 、& 、[] 赋予了多重意义也是让人容易混乱的原因。

这篇文章是在《21天学通C++》第8章内容基础上，进行总结和提炼，以方便自己和网友们回顾使用。没有基础的同学，可以参考书籍中第8章内容进行学习。

版本号：C++14

先说说三者的概念：

指针：指针是一个变量，用于存储内存地址。

引用：引用是一个别名，它提供了对变量的另一个名称。一旦引用初始化为一个对象，就不能再改变为指向另一个对象。

数组：数组是一种数据结构，用于存储多个相同类型的元素。

来一个表格总结下三个符号的用法，可以先过目一下，不理解没关系，看完下文回头再看会更清晰：

符号	声明	运算符
*	声明指针	解除引用运算符(获取地址所存储的值)
&	声明引用	引用运算符（获取变量地址）
[]	声明数组	数组下标运算符

一.变量声明

三者在C++中是如何声明的呢：

1.声明指针（*）

PointedType * PointerVariableName;

int *pointsToInt = NULL;

在C++中，声明指针有三种方式，且都是合法的，可以根据自己的喜好选择其中一种：

int* p
int *p
int * p

2.声明引用（&）

VarType original = Value; 
VarType& ReferenceVariable = original;

int original = 30;
int& ref1 = original;

同样引用的声明也有三种方式：

int& ref
int &ref
int & ref

3.声明数组（[]）

// elements为数组长度
type name[elements];

int myNumbers [5];

分别用三种符号对三者进行了声明。让我们造成困惑的是，这三种符号，在表达式中还可以作为运算符来使用。

二.表达式中的运算符

在表达式中，这些运算符的使用场景：

1.引用运算符（&）

&作为运算符还有个场景是 "按位AND" 运算，这里不做介绍

获取变量地址，用指针来存储地址。（引用运算符也叫地址运算符）

// 定义一个变量
int a = 10;
// 定义一个指向int类型的指针，并初始化地址
int* pointer = &a;

2.解除引用运算符（*）

*还有个作用是乘法运算符，这里不做介绍

解引用运算符用于访问指针所指向的内存地址中存储的值。（解除引用运算符也叫间接运算符）

int age = 30; 

int* pointsToInt = &age;
// 打印指针地址指向的内存中的值(*pointsToInt)
cout << "*pointsToInt = " << dec << *pointsToInt << endl;

将解除引用运算符（*）用于指针时，如果指针未初始化，它所在的内存单元将包含随机值，此时对其解除引用可能会导致程序崩溃或产生意外结果。

3.数组下标运算符（[]）

用于访问数组中的元素。下标运算符使用方括号 []，并且可以用于一维数组和多维数组。

int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int x = arr[2];  // 获取数组arr中索引为2的元素，即第3个元素

三.其他注意事项

1.动态分配内存和释放

使用new关键字来动态申请内存，如果成功，将返回一个指针，指向分配的内存

delete对动态申请的内存进行释放

Type* Pointer = new Type; // request memory for one element
Type* Pointer = new Type[numElements]; // request memory for numElements

delete Pointer; // release memory allocated above
delete[] Pointer; // release block allocated above

2.const用于指针

关键字const在指针前修饰，可以对指针指向的地址或地址指向的数据能否修改进行限制。

	限制	例子	允许✔️	不允许❌
常量指针	指针本身为常量，指向地址不能修改，但可修改指针指向的数据	int daysInMonth = 30; int* const pDaysInMonth = &daysInMonth;	*pDaysInMonth = 31;	（int daysInLunarMonth = 28; ） pDaysInMonth = &daysInLunarMonth;
指向常量的指针	指针指向的数据为常量，不能修改，但可以修改指针包含的地址，即指针可以指向其他地方	int hoursInDay = 24; const int* pointsToInt = &hoursInDay; int monthsInYear = 12;	pointsToInt = &monthsInYear;	*pointsToInt = 13; int* newPointer = pointsToInt;（不允许负值给非const变量）
指向常量的常量指针	指针包含的地址以及它指向的值都不能修改（这种组合最严格）	int hoursInDay = 24; const int* const pHoursInDay = &hoursInDay;		*pHoursInDay = 25; int daysInMonth = 30; pHoursInDay = &daysInMonth;

将指针传递给函数时，这些形式的 const 很有用。函数参数应声明为最严格的 const 指针，以确保函数不会修改指针指向的值。这可禁止程序员修改指针及其指向的数据。

3.数组和指针

数组名是一个指针，指向第一个元素。由于数组变量就是指针，因此也可将用于指针的解除引用运算符（*）用于数组。同样，可将数组下标运算符（[]）用于指针。

int main() 
{ 
    const int ARRAY_LEN = 5; 

    // 有5个元素的静态数组
    int myNumbers[ARRAY_LEN] = {24, -1, 365, -999, 2011}; 

    // 指向数组第一个元素的指针
    int* pointToNums = myNumbers; 

    // 打印数组中的元素
    cout << "使用*运算符打印数组" << endl; 
    for (int index = 0; index < ARRAY_LEN; ++index) 
        cout << "Element " << index << " = " << *(myNumbers + index) << endl; 

    cout << "使用[]运算符打印数组" << endl; 
    for (int index = 0; index < ARRAY_LEN; ++index) 
        cout << "Element " << index << " = " << pointToNums[index] << endl; 

    return 0; 
}

数组的限制：

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，但不能将指针赋给数组，因为数组是静态的，不能用作左值。

4.引用

引用是变量的别名。声明引用时，需要将其初始化为一个变量，因此引用只是另一种访问相应变量存储的数据的方式。

引用可以使用在函数的参数中，当参数占用内存过大时，形参的复制步骤会有很大开销，引用的使用可以避免这种开销浪费。

ReturnType DoSomething(Type& parameter);

下面解释一下引用传递为何可以避免开销浪费：

C++中有两种参数传递方式：值传递 和 引用传递。

在值传递中，C++会在内存中创建该值的一个拷贝，并将这个拷贝传递给函数。这意味着函数内部对参数的修改不会影响到原始值。如下是值传递的例子：

#include 
using namespace std;

void modifyValue(int x) {
    x = 10;
}

int main() {
    int num = 5;
    modifyValue(num);
    cout << num;  // 输出为5，因为函数内部对参数的修改不会影响原始值
    return 0;
}

使用引用传递，可以避免创建拷贝，还可以直接操作原始值。如下是引用传递参数的例子：

#include 
using namespace std;

void modifyValue(int &x) {
    x = 10;
}

int main() {
    int num = 5;
    modifyValue(num);
    cout << num;  // 输出为10，因为函数内部直接修改了原始值
    return 0;
}

将const 用于引用，可以限制通过引用修改它指向的变量的值：

int original = 30; 
const int& constRef = original; 
constRef = 40; // 无法通过编译