C++程序设计
第8章 指针和引用
在程序运行时变量和函数都存放在内存中，通过变量名来访问数据、通过函数名来调用函数都是直接访问方式。还有另一种间接访问方式就是用指针。指针的本质是内存地址。指针往往用于说明函数的形参，使实参能通过指针传递，以提高函数调用的效率。利用指针能动态地使用内存，以提高内存使用效率。指针也能用来表示数据关联，以构成复杂的数据结构。指针是C程序中最常见的类型。引用是C++扩展的新概念，主要用于函数形参和返回类型。本章将详细介绍指针和引用的概念及应用。
8.1 指针及指针变量
指针(pointer)的本质是内存地址。指针变量就是专门存储地址的一种变量。通过指针变量所存储的地址来访问数据是一种间接寻址方式。由于处理器的机器语言能支持间接寻址，所以使用指针可以达到较高的计算性能。 8.1.1 地址的概念
C++编译器对不同对象或变量按其数据类型分配合适大小的存储空间。例如为char或bool型变量分配1个字节(bytes)的存储空间，short分配2字节，int和float分配4个字节，为double型变量分配8个字节的存储空间。当程序执行时，代码和变量都加载到内存中。计算机内存被分成若干个存储单元，存储单元以字节为单位。每个存储单元都有一个固定的编号，这个编号就是内存地址。尽管一个变量可能占用多个字节空间，但都通过第一个字节的地址来访问。存放某个变量的第一个字节的地址就是该数据的首地址。
指针即内存单元的地址，而数据是内存单元中的内容(或值）。
假设在程序中说明了1个int型的变量a，其值为68。系统为变量a分配4字节的存储空间，设首地址为0X0065FDF4。通过地址0X0065FDF4就能找到变量a在内存中的存储单元，从而对变量a进行访问。0X0065FDF4就是变量a的指针。知道一个变量的地址和变量的类型就能对变量进行访问，就如同知道房间号就能找到房间，从而找到房间里的主人。
指针是一种特殊的数据类型。所有类型的变量，无论是基本类型、用户定义类型、还是这些类型的数组，在一次运行时都有确定的地址，因此它们都有指针。对于32位计算机，地址长度就是32位，因此一个指针需要4个字节，与整型int、浮点型float具有相同大小的长度。一个指针不仅有值，而且还要确定其类型，表示它能指向什么类型的数据，决定了通过它要取用多少字节作为该变量的值。
同一个变量在不同机器上执行或在不同时刻执行，其地址都不一样。这是因为在加载一个程序时，系统根据当前可用内存来确定使用哪一块内存。在编程中一个具体的地址值没有多大意义，不应该直接用一个地址常量来为一个指针赋值，这是因为在运行时你不知道这个地址中当前存放的是什么。如果你通过这个地址读取它的内容，将得到不可预知的结果。如果你改变了它的内容，就会导致不可预知的后果，甚至导致严重错误而退出。所以对指针的操作应小心谨慎。
怎样能知道一个变量在运行时刻的内存地址？把取地址运算符&放在变量前面就得到它的首地址。例如b是一个变量，那么&b就表示它的地址。下面例子能看到一组局部变量的首地址。
例8-1 显示一组局部变量的首地址。
#include
bool b = true; char c = 'c'; short s = 3; int i = 4;
float f = 1.0f; double d = 1.0;
cout<<\
cout<<\ cout<<\ cout<<\ cout<<\ cout<<\}
执行程序，输出如下：
&b=0x0012FF7C &c=12ff78
&s=0x0012FF74 &i=0x0012FF70 &f=0x0012FF6C &d=0x0012FF64
注意在不同机器上或不同时刻运行，显示的地址都不一样。但我们能看到局部变量在内存中的一些排列规律。如图8.1所示。
0012FF64d : 1.0f : 1.0fi : 4s : 3c : 'c'b : 1占8字节占4字节占4字节占4字节占4字节占4字节0012FF6C0012FF700012FF740012FF780012FF7C 图8.1 一组局部变量的存储地址 首先，这6个变量的地址是按递减次序排列，这是因为局部变量都存储在堆栈中，堆栈是先入后出的。先入栈的数据存放在较大地址位置，后入栈的数据存放在较小地址位置。如果这些变量改为全局变量，它们的排列次序就会颠倒过来。
其次，尽管变量s只占2字节，变量c只占1字节，但却分别占用4字节空间。这是因为按字对齐(32位数据)能提高CPU访问内存的效率，而且一次压栈和出栈操作也是以32位
数据为单位，代价是浪费一些内存。如果这些变量改为全局变量，它们将按实际大小存储。
如果一个指针变量存放的是某个对象或值的地址，就说这个指针变量指向该对象或值。在C++程序设计中，指针变量只有确定了指向才有意义。 8.1.2 指针变量
指针变量就是专门存放地址的一种特殊变量。指针变量中存放的是地址值。一个指针的值就是一个地址。
指针变量与其它变量一样，在使用之前必须先说明。说明指针变量的格式为： <类型名> *<变量名> [= &<变量>];
其中，<类型名>是这个指针变量所指向的对象的类型，简称指针类型，它可以是任何一种类型。*表示这个变量是一个指针变量。这个变量的类型就是“<类型名> *”。<变量名>是一个标识符。指针变量可以进行初始化，等号之后给出一个变量的地址，要求这个变量的类型与指针类型相符。
假设程序中说明了一个变量int i = 4，而且在运行时该变量i的地址为0X0012FF70。 说明一个指针变量：
int * pa = &i;
此时指针变量pa中就存放了变量i的地址，即pa中存放的值为0X0012FF70。我们称pa指针指向了变量i。如图8.2所示。
0012FF70pa : 0012FF70i : 4 图8.2 指针变量的值与其所指内容 现在访问变量i就有两种方式：一是按变量名i来访问。将变量名i转换为一个相对地址，在运行时经动态定位得到i的地址0X0012FF70，再找到i的存储单元。二是通过指针变量pa来访问。按pa变量的地址先找到pa，然后根据pa的值再找到变量i的存储单元，从而对变量i进行访问。前一种访问方式称为直接寻址，后一种称为间接寻址。间接方式的好处是一个指针pa在不同时刻可指向不同的整数变量，这样通过一个指针变量就能访问多个数据。
例如：
int *ip1, i2; float *fp;
//说明一个指针变量ip1(其类型为int *)和一个int变量i2
//说明一个指针变量fp(其类型为float *)
指针变量ip1所指向的变量的类型为int型，指针变量fp所指向的变量的类型为float型。
下面说明指针变量的几种写法都是合法的。
int *p; int* p1; int*p2; int * p3;
// *与类型名之间有空格，与变量名p之间没有空格 // *与类型名之间没有空格，与变量名p1之间有空格 // *与类型名和变量名p2之间都没有空格 // *与类型名和变量名p3之间都有空格
在说明一个指针变量后，无论该指针变量指向何种类型的对象，系统都为其分配4个字节大小的存储空间，因为指针变量存放内存单元的地址，在32位计算机中内存地址的取值范围是相同的，都是4个字节。
在一个变量说明语句中，或者一个函数形参表中，一个变量或形参之前加一个“*”，就说明了该变量或该形参是一个指针类型。注意这里的“*”是一个说明符号，并非一个运算符，区别于“*”作为双目乘法运算符。下面还将介绍“*”作为单目运算符的第三种用法。
8.1.3 指针的运算
既然指针就是地址，那么指针的运算实际上就是地址的运算。但由于地址是特殊的数据，使指针所能进行的运算受到一定限制。对于指针只能进行赋值运算、间接引用运算、算术运算、两个指针间的减运算和关系运算。 1．赋值运算
一个指针变量如果既没有初始化，也没有赋值，那它的值就是随机值，指向就不确定。如果此时使用指针变量，就会访问不确定的存储单元，可能有很大危害。因此指针变量在使用之前必须有确定的指向，通过给指针赋值就可以使之指向确定的数据。
下面例子说明如何给指针赋值，以及应注意的一些问题。
int a = 16, b = 28; //说明整型变量a,b float x = 32.6f, y = 69.1f; //说明浮点型变量x,y int *pa, *pb = &b; //说明两个指向int对象的指针变量pa,pb，并使pb指向变量b float *px, *py = NULL; //说明两个指向float对象的指针变量px,py，使py为空指针 px = &x; //使指针px指向变量x *pa = &b; //非法，左值与右值的类型不同，左值是int型，右值是int*型 pa = pb; //pa和pb都指向同一个变量 pa = &x; //非法，pa指向对象的类型只能是int型，而x是float型 pb = 0x3000; //非法，不能用字面常量给指针变量赋值
在一个变量名之前加一个“&”，就是取得该变量的地址，称为求址运算(address-of)。例如，“&b”是一个表达式，就是求变量b的地址。如果b的类型是int，那么表达式&b的类型就是“int *”，以此类推。这里“&”是一个单目运算符。前面第3章介绍的“&”是一个双目运算符，就是按位逻辑与运算符。本章后面还将介绍“&”的第三种用法，用来说明引用变量。
NULL是一个宏，其值为0，说明在多个头文件中，例如
在为指针赋值时应保证指针类型的一致性。例如，你不能把一个int变量的地址赋给一个float指针，反之也不行。即便你使用强制类型转换能通过编译，也会在运行时出现错误。
注意，赋值运算还隐含在函数调用时，实参值传递给形参也是一种赋值。 2．间接引用运算
对于一个指针变量，就能通过它的值来访问对应地址的值。这种由地址求内容的过程就是间接引用运算。“*”作为一种单目运算符，作用于一个指针变量，就是按该指针的地址求值(英文称dereference，含义是去引用，习惯称为间接引用)。例如：
int a = 16, b = 28; int *pa, *pb = &b; cout<<*pb< cout< //输出pb所指对象b的值28 //输出a的值16 //修改pa所指对象a的值，使a的值变成32 //输出a的值32 从上面的例子可以看出，“*指针变量”既可作为左值，也可作为右值。作为左值可以修改指针所指对象的值，作为右值只能读取指针所指对象的值。 如果指针pa的类型是“int *”，那么“*pa”的类型就是int，这就是去引用的含义。 “&”所表示的求址运算与“*”所表示的间接引用运算是一对互逆的运算： ? 对于任一个变量v，“*&v”表达式等价于v，即*&v == v。 ? 对于任一个指针变量p，“&*p”表达式等价于p，即&*p == p。 这是两个重要的等价式，将用于后面的数组访问。 至此，“*”有三种不同的含义，随其所作用的对象及位置的不同而不同。例如： int a = 16, b = 28; int *pa = &a, *pb; a *= a * b; *pa = 123; //*表示pa、pb是指针变量，指针说明 //*表示乘法运算，双目运算符 //*表示间接引用pa所指向的对象a，单目运算符 指针的一个重要用途是定义函数形参。在调用函数时所提供的实参(即主调方某变量的地址)必须符合形参的指针类型，才能将实参赋值给形参。函数内通过形参指针就能访问主调方的变量。 例8-2 指针作为函数形参。 #include void main(){ double d1 = 2.2; square(&d1); cout< //A //B //C 等价于*d = (*d) * (*d); //D //E //F 上面A行定义了一个函数square，其形参为一个double型指针。此函数对指针所指向的某个double变量求平方。此函数没有返回值。B行先判断形参指针不为空，这是指针作为形参的通常处理方法，目的是防止通过空指针进行有害操作。C行包含了间接引用运算符、乘法运算符和赋值运算符，完成平方计算。注意C行并没有改变指针d，而是改变了指针d所指向的调用方实参的值。 主函数main中在D行定义了一个局部变量d1。E行调用square函数，实参为&d1，即 maind1 : 2.2?call?d=&d1dsquare 图8.3 函数形参指向主调方的变量 变量d1的地址被赋值给函数形参d，使形参d指向变量d1。如图8.3所示。在执行函数square时就能读取并改变该变量的值。当函数返回后，F行输出的d1就是原值2.2的平方，4.84。 用指针作为函数形参的好处就是用传递地址来代替传递值。不管多大对象，传地址只需4字节，所以适合传递“大”对象给函数来处理，能提高计算效率。 3．与整数的算术运算 指针与整数之间的算术运算有两种：与整数的加减运算和自增自减运算。这些运算只在访问某个数组时才有用。 （1）与整数的加减运算 既然指针变量存储的是数据的内存地址，就可将指针视为类似整型的变量。指针加上或减去一个整数的结果应该是一个新的地址值。 指针的加减运算与普遍变量的加减运算不同。一个指针加上或减去一个整数n，表示指