C++ 指针基础
什么是指针？
指针是C++中一种特殊的变量，它存储的是内存地址而不是实际的数据值。通过指针，我们可以间接地访问和操作存储在特定内存位置的数据。指针的这种特性使它成为C++中最强大但也最容易出错的特性之一。
在现代编程中，理解指针对于内存管理、数据结构实现以及高效操作系统级程序编写都至关重要。
内存地址与指针的关系
在计算机中，每一个变量都被存储在内存的某个位置，这个位置有一个唯一的地址（类似于街道上房子的门牌号）。
指针就是专门用来存储这些内存地址的变量。
指针的声明和初始化
在C++中，使用星号*来声明指针变量：
cpp
数据类型 *指针变量名;
例如，声明一个整型指针：
cpp
int *ptr; // 声明一个指向整数的指针
初始化指针需要获取某个变量的地址，使用取地址运算符&：
cpp
int number = 10; // 普通整型变量
int *ptr = &number; // 初始化指针，使其指向number的地址
完整示例：
cpp
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
int number = 42; // 普通整型变量
int *ptr = &number; // 指针变量，存储number的地址
cout << "number的值: " << number << endl;
cout << "number的地址: " << &number << endl;
cout << "ptr存储的地址: " << ptr << endl;
cout << "ptr指向的值: " << *ptr << endl;
return 0;
}
输出：
number的值: 42
number的地址: 0x7ffee7dbc8c8 (地址值会因系统而异)
ptr存储的地址: 0x7ffee7dbc8c8 (与number地址相同)
ptr指向的值: 42
指针操作基础
1. 解引用操作符 (*)
解引用操作符*用于访问指针所指向的值：
cpp
int x = 10;
int *p = &x;
cout << *p; // 输出10，即x的值
*p = 20; // 修改x的值为20
cout << x; // 输出20
2. 指针与数组
在C++中，数组名本质上是指向数组第一个元素的指针：
cpp
int arr[5] = {10, 20, 30, 40, 50};
int *ptr = arr; // ptr指向arr[0]
cout << *ptr; // 输出10 (arr[0])
cout << *(ptr+1); // 输出20 (arr[1])
cout << *(ptr+2); // 输出30 (arr[2])
3. 指针算术
指针支持加减运算，但操作结果取决于指针类型：
cpp
int arr[5] = {10, 20, 30, 40, 50};
int *p = arr;
p++; // p现在指向arr[1]
cout << *p; // 输出20
p = p + 2; // p现在指向arr[3]
cout << *p; // 输出40
警告
指针算术操作需谨慎，超出数组边界的操作会导致未定义行为！
4. 空指针
空指针不指向任何有效的内存位置：
cpp
int *ptr = nullptr; // C++11及以后的空指针写法
// 旧版C++可以使用: int *ptr = NULL; 或 int *ptr = 0;
if (ptr == nullptr) {
cout << "这是一个空指针" << endl;
}
提示
始终在使用指针前检查它是否为空指针，以避免程序崩溃。
常见的指针类型
1. 整型指针
cpp
int number = 10;
int *ptr = &number;
2. 字符指针
cpp
char letter = 'A';
char *charPtr = &letter;
// 字符串与字符指针
char str[] = "Hello";
char *strPtr = str;
3. 指向结构体的指针
cpp
struct Person {
string name;
int age;
};
Person person1 = {"小明", 25};
Person *ptrPerson = &person1;
// 使用箭头操作符访问成员
cout << ptrPerson->name << endl; // 输出：小明
cout << ptrPerson->age << endl; // 输出：25
// 等价的写法
cout << (*ptrPerson).name << endl; // 输出：小明
指针与动态内存分配
C++中，我们可以使用new和delete操作符进行动态内存分配和释放：
动态分配单个变量
cpp
// 分配内存
int *ptr = new int;
*ptr = 10;
// 使用完毕后释放内存
delete ptr;
ptr = nullptr; // 避免悬空指针
动态分配数组
cpp
// 分配内存
int *arr = new int[5];
for(int i = 0; i < 5; i++) {
arr[i] = i * 10;
}
// 使用完毕后释放内存
delete[] arr; // 注意使用delete[]来释放数组
arr = nullptr;
注意
每次使用new分配内存后，必须相应地使用delete或delete[]释放内存，否则会导致内存泄漏。
实际应用案例
案例1：实现简单链表
链表是指针最典型的应用场景之一。以下是一个简单链表节点的实现：
cpp
#include <iostream>
using namespace std;
// 定义链表节点
struct Node {
int data;
Node* next;
};
int main() {
// 创建链表头节点
Node* head = new Node{10, nullptr};
// 添加第二个节点
head->next = new Node{20, nullptr};
// 添加第三个节点
head->next->next = new Node{30, nullptr};
// 遍历链表
Node* current = head;
while (current != nullptr) {
cout << current->data << " ";
current = current->next;
}
cout << endl;
// 释放内存
current = head;
while (current != nullptr) {
Node* temp = current;
current = current->next;
delete temp;
}
return 0;
}
输出：
10 20 30
案例2：函数参数中的指针应用
使用指针可以实现函数内部修改外部变量的值：
cpp
#include <iostream>
using namespace std;
// 通过指针交换两个数
void swap(int* a, int* b) {
int temp = *a;
*a = *b;
*b = temp;
}
int main() {
int x = 5, y = 10;
cout << "交换前: x = " << x << ", y = " << y << endl;
swap(&x, &y);
cout << "交换后: x = " << x << ", y = " << y << endl;
return 0;
}
输出：
交换前: x = 5, y = 10
交换后: x = 10, y = 5
指针的常见错误与注意事项
-
未初始化的指针：使用前必须初始化，否则指向未知内存区域。
-
内存泄漏：动态分配的内存在不再需要时必须释放。
-
悬空指针：指向已释放的内存。
cppint* p = new int(10);
delete p; // 内存已释放
// p现在是悬空指针
*p = 20; // 危险操作！可能导致程序崩溃 -
越界访问：不要访问数组边界外的元素。
指针与引用的区别
尽管指针和引用都可以间接访问变量，但它们有几个关键区别：
- 引用必须在创建时初始化，指针可以稍后赋值
- 引用不可重新绑定到其他对象，指针可以指向不同对象
- 引用不能为空，指针可以是nullptr
- 引用没有多级引用，指针可以有多级指针（指针的指针）
cpp
int x = 10, y = 20;
int& ref = x; // 引用
int* ptr = &x; // 指针
ref = 30; // 修改x的值为30
ptr = &y; // 将指针重新指向y
*ptr = 40; // 修改y的值为40
总结
指针是C++中强大而复杂的特性，它们允许程序员直接操作内存，实现高效灵活的代码。本文介绍了：
- 指针的基本概念和内存模型
- 如何声明和初始化指针
- 指针操作（解引用、指针算术等）
- 动态内存分配
- 指针的实际应用
理解指针需要时间和实践，建议从简单例子开始，逐步掌握更复杂的用法。
练习题
- 编写一个函数，使用指针交换两个字符串的内容。
- 实现一个动态整数数组，支持添加、删除和打印元素的功能。
- 创建一个简单的链表，支持在链表头部和尾部添加元素。
- 编写一个函数，使用指针反转整数数组。
进一步学习资源
- C++ Primer（第5版）- 经典的C++学习书籍，详细介绍了指针概念
- 《Effective C++》- Scott Meyers著，包含许多关于指针安全使用的建议
- cppreference.com - 在线C++参考资料库，包含详细的指针语法和用法
通过持续练习和阅读，你将能够熟练掌握C++指针，为更高级的编程打下坚实基础。