21天学通C++学习笔记（八）：指针和引用

1. 简述

• C++最大的优点之一是，既可以用它来编写不依赖于机器（主要是内存）的高级应用程序，又可以用它来编写与硬件紧密协作的应用程序。
• 事实上C++让您能够在字节和比特级调整应用程序的性能，而要编写高效地利用系统资源的程序，理解指针和引用时必不可少的一步。
• 在编程语言中，变量使你能够处理内存中的数据。
• C++让你能够动态地分配内存（new和delete），以优化应用程序对内存的使用。
• 不同于C#和Java等基于运行时环境的新语言，C++没有自动垃圾收集器对程序已分配但不能使用的内存进行清理。所以使用指针来管理内存资源时，程序员很容易犯错。

2. 什么是指针

• 指针是一个指向内存空间（存储内存地址）的特殊变量
  • 也占用内存空间，但每个指针占的内存空间大小（存储内存地址所需的空间）和使用的编译器及系统相关，与指针指向的变量类型无关。如果用的是32位编译器，那么大小是32位，也就是4个字节；如果用的是64位编译器并且运行在64位系统上，那么sizeof的结果是64位，也就是8个字节。
  • 16进制数据通常使用前缀0x
• 声明
  • 作为一个变量，指针也需要声明。
  • 通常将指针声明为指向特定的类型，如int * pint; 意味着这个指针包含的地址对应的内存单元存储了一个整数。
  • void指针：也可将指针声明为指向一个内存块，如void *pvoid; void即“无类型”，void *则为“无类型指针”，能够指向不论什么数据类型。
  • 空指针
    • 与大多数变量一样，除非对指针进行初始化，否则它包含的值将是随机的，可能会导致程序访问非法内存单元，进而导致程序崩溃。如果不希望访问随机的内存地址，可以将指针初始化为空指针。
    • NULL：NULL是一个可以检查的值，且不会是内存地址。
    • nullptr：C++11引入，代表空指针，避免给指针赋值NULL时被编译器替换为0。
    • 使用指针之前要做有效性判断：if(ptrPi) 或 if(ptrPi != NULL) 或 if(nullptr != ptrPi)
• 使用*（解除引用运算符/间接运算符）访问指向的数据
  • 指针包含的地址必须合法（&获得的通常是合法的）。如果指针未初始化，那么以后可能导致非法访问（Access Violation），即访问应用程序未获得授权的内存单元。
  • 可以通过*修改指向的数据，如果有多个指针指向相同的数据，那么其中一个修改后，其他指针都将受到影响。
• 使用&（引用运算符/地址运算符）获取变量的地址
  • cout中输出&获取的地址，会是16进制的。
  • 即使是同一台机器，每次用&获取的同一变量的地址每次也都可能不同，是操作系统分配的。
  • 可以将&获取的地址赋值给指针变量，如int age = 30; int* pointToInt = &age;。
  • 同一个int指针可以指向任何int变量。

3. 动态内存分配

• 像静态数组那样的内存分配是静态和固定的，不容易扩充，而数据少时又造成存储空间浪费、影响性能。
• 而动态内存分配（使用new和delete）可以满足这样的需求。

3.1. 使用new和delete运算符动态地分配和释放内存

• 运算符new和delete分配和释放自由存储区中的内存。自由存储区是一种内存抽象，表现为一个内存池，应用程序可分配（预留）和释放其中的内存。
• new
  • new表示请求分配内存，但并不能保证分配请求总能得到满足，因为这取决于系统的状态及内存资源的可用性。
    • 如int* pointToInt = new int;
  • 为多个元素分配内存时，还可指定要为多少个元素分配内存
    • 如int* pointToIntArray = new int[10];
• delete
  • 使用new分配的内存，最终必须都用对应的delete进行释放
    • 如delete pointToInt;
  • 小心某些情况下，delete和new没有成对
  • 对于使用new[...]分配的内存块，需要使用delete[]来释放。
    • 如delete pointToIntArray[];
  • 不能将运算符delete用于任何包含地址的指针，而只能用于new返回的且未使用delete使用的指针
  • 一个new的指针，只能delete一次
• 内存泄露
  • 不再使用分配的内存后，如果不释放它们，这些内存仍被预留并分配给你的应用程序。这将减少可供其他应用程序使用的系统内存量，甚至降低应用程序的执行速度。
  • 要不惜一切代价避免这种情况发生。

3.2. 指针使用递增/递减运算符

• 对指针执行递增/递减运算，编译器将认为你要指向内存块中的相邻的值（并假定这个值的类型和前一个值相同）。
• 因此地址递增或递减的不是一个位或字节，而是sizeof(Type)个字节。
• 类似的，指针加减一个整数，并不代表其存储的地址增减了该整数量的字节，而是该整数sizeof(Type)，如(pointsToInts + count)。
• 由于delete或deletep[]释放内存时必须指定分配内存时new返回的指针地址，因此做了递增、递减或加减操作后，需要做相反的操作令该指针回到最初的内存地址，如-=。

3.3. 将关键字const用于指针，并在将指针传递给函数时使用

• 像前面讲的，将变量声明为const可以确保变量的取值在整个生命周期内都固定为初始值。这种变量不能修改，因此也不能将其用作左值。
• 有三种用法
  • 指针包含的地址是常量，不能修改，但可修改指针指向的数据（const指针）：int* const i = &i;
  • 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（指向const数据的指针）：const int* i = &i;
  • 指针包含的地址及它指向的值都是常量，不能修改（这种组合最严格，指向const数据的const指针）：const int* const i = &i;
• 将关键字const用于指针，在将指针传递给函数时很有用。
  • 指针是一种将内存空间传递给函数的有效方式，其中可包含函数完成其工作所需的数据，也可包含操作结果。
  • 将指针作为函数参数时，确保函数只能修改你希望它修改的参数很重要。
  • 这时为控制函数可修改哪些参数以及不能修改哪些参数，可使用关键字const。
  • 这时函数参数应声明为最严格的的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。
  • 不能修改指针的const的程度，也就是不能把一个普通指针赋给一个const指针

3.4. 数组和指针的相似之处

• 可将数据变量赋给类型与之相同的指针
• 访问数据时，如果int myNumbers[5]; int* pointToNums = myNumbers;，那么*(pointToNums + 1)相当于myNumbers[i]。这也是因为静态数据是连续存储的，所以下一个元素的存储地址就是初始指针加1（像前面说的递增递减操作一样，是1个sizeof(Type)）。
• 由于数据变量就是指针，因此也可将用于指针的解除引用运算符（*）用于数组。同样可将数组运算符（[]）用于指针。
• 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，因为数组时静态的，不能用作左值。

4. 使用指针时常犯的编程错误，以及最佳实践

• 不同于C#和Java等基于运行时环境的新语言，C++没有自动垃圾收集器对程序已分配但不能使用的内存进行清理。所以使用指针来管理内存资源时，程序员很容易犯错。
• 内存泄露
  • 运行时间越长，占用的内存越多，系统越慢。
  • 使用new动态分配的内存不再使用后，必须用配套的delete释放。
  • 确保应用程序释放期分配的所有内存是程序员的职责。
  • 经常发生在对一个指针多次new时，中间就要使用delete了，不然就分配了两部分内存，而前一部分没有被释放。
• 无效指针（指针指向无效的内存单元）
  • 使用*运算符对指针解除引用以访问指向的值时，务必确保指针指向了有效的内存单元，否则程序要么崩溃，要么行为不端。
  • 指针无效的原因有很多，但主要归结于糟糕的内存管理。
  • 比较常见的就是指针没有初始化，也可能某些情况下没有被初始化，那么使用它时就有可能崩溃。
  • 要避免指针拷贝满天飞，不利于delete，可能会重复delete
  • 要让这个程序更好更安全更稳定，应对指针进行初始化，确定指针有效后再使用并只释放指针一次（且仅当指针有效时才释放）
• 悬浮指针（也叫迷途或失控指针）
  • 指针delete之后，就变成无效的了，不应再使用。
  • 为避免这种问题，很多程序员在初始化指针或释放指针后将其置为NULL，并在使用运算符*对指针解除引用前检查它是否有效（将其与NULL作比较）。
  • 确保不管用户如何输入，指针在程序运行期间始终有效。
• 检查使用new发出的分配请求是否得到满足
  • 事实上，除非请求分配的内存量特别大，或系统处于临界状态，可供使用的内存很少，否则new一般都能成功。
  • 但有些应用程序需要请求分配大块的内存（如数据库应用程序），最好不要假定内存分配能够成功。
  • 有两种确认指针有效的方法
    • 默认是使用异常。内存分配失败时，将引发std::bad_alloc异常，这将导致应用程序中断执行，除非提供了异常处理程序，否则应用程序将崩溃，并显示一条类似于“异常未处理”的消息。
    • 不想依赖于异常的程序员可使用new变种new(nothrow)，这个变种在内存分配失败时不引发异常，而返回NULL，让你能够在使用指针前检查其有效性。
      • int* pointsToMangNums = new(nothrow) int []; if(pointsToMangNums ) {...}
• 最佳实践总结
  • 务必初始化指针变量，否则它将包含垃圾值。如果不能将指针初始化为new返回的有效地址，可将其初始化为NULL。
  • 务必在指针有效时才使用它（是否已释放，是否是空指针，是否真的分配到了内存），否则程序可能崩溃。
  • 对于new分配的内存，一定要配套使用delete进行释放，否则会导致内存泄露，进而降低系统性能。
  • 使用delete释放指针后，不要访问它
  • 不要对同一指针释放多次
  • 最好避免让两个指针指向相同的地址，因为对其中一个调用delete将导致另一个无效。另外要避免使用有效性不确定的指针。

5. 引用是什么

• 引用可能看成是变量的别名，即相应变量的另一个名字。
• 使用&（引用运算符）声明引用
• 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。
• 引用让你能够访问相应变量所在的内存单元，也就是以别名的方式访问同一内存，因此多用于函数传参，对编写函数很有用。
  • 通过引用传参，让函数直接使用调用者栈中的数据，可以避免直接值传递时的复制步骤的开销（尤其数据很大时）
  • 按引用传参时，函数实参不再是拷贝，而是别名，也就是引用传递，然后调用者可以使用这些参数返回值
• 将关键字const用于引用、给函数引用传参
  • 需要禁止通过引用修改它指向的变量的值时，可在声明引用时使用const关键字
  • 如果要把一个引用赋给一个const引用，那么这个引用也要是const的，即不能修改const的程度，否则会突破const引用的限制：不能修改它指向的数据。
  • 在给函数传参时，如果不想让被调用函数修改参数，只是想避免形参复制给实参降低性能，那么可以将引用传参同时设为const的，如void GetSquare(const int& number, int & result)
  • 这时引用可以很好得替代指针，因为引用总是有效的

6. *和&运算符的对比

• *
  • 用于声明指针，相当于值的地址的地址（两层）
  • 用于解除引用（取得指针指向的变量的值），这时可以叫做解除引用运算符/间接运算符。
• &（引用运算符/地址运算符）
  • 用于声明引用，可视为别名，相当于值的地址（一层，也就是相当于变量名的别名，实际上是一样的）
  • 用于获取变量的地址
  • 用于按引用传参