C/C++中指針和引用之相關(guān)問(wèn)題深入研究
一、基本知識(shí)
指針和引用的聲明方式：
聲明指針： char* pc;
聲明引用： char c = 'A'
char& rc = c;
它們的區(qū)別：
①?gòu)默F(xiàn)象上看，指針在運(yùn)行時(shí)可以改變其所指向的值，而引用一旦和某個(gè)對(duì)象綁定后就不再改變。這句話(huà)可以理解為：指針可以被重新賦值以指向另一個(gè)不同的對(duì)象。但是引用則總是指向在初始化時(shí)被指定的對(duì)象，以后不能改變，但是指定的對(duì)象其內(nèi)容可以改變。
②從內(nèi)存分配上看，程序?yàn)橹羔樧兞糠峙鋬?nèi)存區(qū)域，而不為引用分配內(nèi)存區(qū)域，因?yàn)橐寐暶鲿r(shí)必須初始化，從而指向一個(gè)已經(jīng)存在的對(duì)象。引用不能指向空值。
③從編譯上看，程序在編譯時(shí)分別將指針和引用添加到符號(hào)表上，符號(hào)表上記錄的是變量名及變量所對(duì)應(yīng)地址。指針變量在符號(hào)表上對(duì)應(yīng)的地址值為指針變量的地址值，而引用在符號(hào)表上對(duì)應(yīng)的地址值為引用對(duì)象的地址值。符號(hào)表生成后就不會(huì)再改，因此指針可以改變指向的對(duì)象（指針變量中的值可以改），而引用對(duì)象不能改。這是使用指針不安全而使用引用安全的主要原因。從某種意義上來(lái)說(shuō)引用可以被認(rèn)為是不能改變的指針。
④不存在指向空值的引用這個(gè)事實(shí)意味著使用引用的代碼效率比使用指針的要高。因?yàn)樵谑褂靡弥安恍枰獪y(cè)試它的合法性。相反，指針則應(yīng)該總是被測(cè)試，防止其為空。
⑤理論上，對(duì)于指針的級(jí)數(shù)沒(méi)有限制，但是引用只能是一級(jí)。
如下：
int** p1; // 合法。指向指針的指針
int*& p2; // 合法。指向指針的引用
int&* p3; // 非法。指向引用的指針是非法的
int&& p4; // 非法。指向引用的引用是非法的
注意上述讀法是從左到右。
程序1：
#include "stdio.h"
int main(void)
{
// 聲明一個(gè)char型指針pc，且讓它指向空值
char* pc = 0;
char a = 'a';
// 聲明一個(gè)引用rc，且讓它引用變量a
char& rc = a;
printf("%d, %c\n", pc, rc);
char *pc2;
// 聲明一個(gè)指針，但可以不初始化
pc2 = pc;
// char& rc2;
// 上面語(yǔ)句編譯時(shí)，會(huì)產(chǎn)生如下錯(cuò)誤：
// error C2530: 'rc2' : references must be initialized
// 即，應(yīng)用必須初始化
// rc = *pc;
// 上面語(yǔ)句編譯不會(huì)有問(wèn)題，但運(yùn)行時(shí)，會(huì)報(bào)如下錯(cuò)誤：
// "0x00401057"指令引用的"0x00000000"內(nèi)存。該內(nèi)存不能為"read"
// 說(shuō)明引用在任何情況下，都不能指向空值
return 0;
}
程序2：
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main(void)
{
string s1("Hello");
string s2("World");
// printf("%s\n", s1); 不能用printf輸出s1，而應(yīng)該用cout
cout << "s1的地址 = "<< &s1 << endl;// &s1 = 0012FF64
cout << "s2的地址 = "<< &s2 << endl;// &s2 = 0012FF54
string& rs = s1; // 1. 定義一個(gè)引用rs，rs引用s1
cout << "引用rs的地址 ＝ " << &rs << endl; // &rs = 0012FF64
string* ps = &s1; //定義一個(gè)指針ps, ps指向s1
cout << "指針ps的地址 = " << ps << endl;// ps = 0012FF64
cout << rs << ", " << *ps << endl; // Hello, Hello
// 如果沒(méi)有#include <string>，上面的語(yǔ)句在編譯的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)如下錯(cuò)誤：
// error C2679: binary '<<' : no operator defined which takes a right-
// hand operand of type 'class std::basic_string<char,struct
// std::char_traits<char>,class std::allocator<char> >'
// (or there is no acceptable conversion)
rs = s2; // 2. rs仍舊引用s1, 但是s1現(xiàn)在的值是"World"
ps = &s2; // ps現(xiàn)在指向s2
cout << "引用rs的地址 ＝ " << &rs << endl; // &rs = 0012FF64 未改變
cout << "引用rs的值 ＝ " << rs << endl; // rs = "World" 已改變
cout << "指針ps的地址 ＝ " << ps << endl;// ps = 0012FF54 已改變
cout << "指針ps所指地址的內(nèi)容 ＝ " << *ps << endl; // *ps = World已改變
cout << "s1的地址 = "<< &s1 << endl;// 3. &s1 = 0012FF64 未改變
cout << "s1的值 = " << s1 << endl; // 4. s1 = World 已改變
return 0;
}
可以認(rèn)為：
引用就是變量的別名，在引用初始化的時(shí)候就已經(jīng)確定，以后不能再改變。見(jiàn)程序2的粗體字語(yǔ)句。第1句，聲明了rs引用s1，s1的值為”Hello”，從這以后，rs實(shí)際上就相當(dāng)于變量s1了，或者從更本質(zhì)的意義上來(lái)說(shuō)，rs的地址就是初始化時(shí)s1的地址了，以后都不會(huì)再改變。這應(yīng)該比較好理解，比如我們?cè)诔绦蛑卸x了一個(gè)變量a，不管我們?nèi)绾谓oa賦值，但它的地址是不會(huì)改變的；
第2句，rs仍舊指向初始化時(shí)s1的地址，但此處的賦值就相當(dāng)于重新給s1賦值，因此我們從第3句和第4句可以看到，s1的地址并沒(méi)有發(fā)生變化，但是其值已經(jīng)發(fā)生了變化。
二、作為參數(shù)傳遞
利用引用的這個(gè)特性，可以用它作為函數(shù)的傳出參數(shù)。如程序3：
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int newEvaluation(string& aStr)
{
string bStr("Hello,");
aStr = bStr + aStr;
return 0;
}
int main(void)
{
string aStr("Patrick!");
newEvaluation(aStr);
std::cout << aStr << endl; // 輸出結(jié)果："Hello, Patrick!"
return 0;
}
而一般變量，則不能從函數(shù)內(nèi)部傳值出來(lái)，比如程序4：
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int newEvaluation(string aStr)
{
string bStr("Hello,");
aStr = bStr + aStr;
return 0;
}
int main(void)
{
string aStr("Patrick!");
newEvaluation(aStr);
std::cout << aStr << endl; // 輸出結(jié)果："Patrick!"，aStr的值沒(méi)有變化
return 0;
}
當(dāng)然程序3引用傳遞的方式也可以寫(xiě)成指針傳遞的方式，如程序5：
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int newEvaluation(string* const aStr)
{
string bStr("Hello,");
*aStr = bStr + *aStr;
return 0;
}
int main(void)
{
string aStr("Patrick!");
newEvaluation(&aStr);
std::cout << aStr << endl; // 輸出結(jié)果："Hello, Patrick!"
return 0;
}
注意程序中的陷井，如程序6：
#include <iostream.h>
int *pPointer;
void SomeFunction()
{
int nNumber;
nNumber = 25;
//讓指針指向nNumber
pPointer = &nNumber;
}
void main()
{
SomeFunction();//為pPointer賦值
//為什么這里失敗了?為什么沒(méi)有得到25
cout << "Value of *pPointer: " << *pPointer << endl;
}
這段程序先調(diào)用了SomeFunction函數(shù)，創(chuàng)建了個(gè)叫nNumber的變量，接著讓指針pPointer指向了它?？墒菃?wèn)題出在哪兒呢？當(dāng)函數(shù)結(jié)束后，nNumber被刪掉了，因?yàn)檫@一個(gè)局部變量。局部變量在定義它的函數(shù)執(zhí)行完后都會(huì)被系統(tǒng)自動(dòng)刪掉。也就是說(shuō)當(dāng)SomeFunction 函數(shù)返回主函數(shù)main()時(shí)，這個(gè)變量已經(jīng)被刪掉，但pPointer還指著變量曾經(jīng)用過(guò)的但現(xiàn)在已不屬于這個(gè)程序的區(qū)域。
盡管在SomeFunction中使用所謂的動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存。程序7中也存在陷井：
#include <iostream.h>
int *pPointer;
void SomeFunction()
{
int intNumber = 25;
// 讓指針指向一個(gè)新的整型
pPointer = new int;
pPointer = &intNumber;
}
void main()
{
SomeFunction(); // 為pPointer賦值
cout<< "Value of *pPointer: " << *pPointer << endl;
delete pPointer;
}
原因也如上面所言，intNumber的作用范圍僅限于SomeFunction中，離開(kāi)了SomeFunction，那么intNumber就不存在了，那么&intNumber即intNumber的地址就變得沒(méi)有意義了，因此，該地址所指向的值是不確定的。如果改為下面的程序就不會(huì)有問(wèn)題了。
程序8：
#include <iostream.h>
int *pPointer;
void SomeFunction()
{
int intNumber = 25;
// 讓指針指向一個(gè)新的整型
pPointer = new int(intNumber);
}
void main()
{
SomeFunction(); // 為pPointer賦值
cout<< "Value of *pPointer: " << *pPointer << endl;
delete pPointer;
}
三、指針的指針
前面說(shuō)到，指針是沒(méi)有級(jí)數(shù)限制的。
程序9：
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
void main(void)
{
int i, j;
int a[10], b[3][4], *p1, *p2, **p3;
for(i = 0; i < 10; i++)
scanf("%d", &a[i]);
for(i = 0; i < 3; i++)
for(j = 0; j < 4; j++)
scanf("%d", &b[i][j]);
p1 = a;
p3 = &p1;
for(i = 0; i < 10; i++)
printf("%4d", *(*p3+i));
printf("\n");
for(p1 = a; p1 - a < 10; p1++)
{
p3 = &p1;
printf("%4d", **p3);
}
printf("\n");
for(i = 0; i < 3; i++)
{
p2 = b[i];
p3 = &p2;
for(j = 0; j < 4; j++)
printf("%4d",*(*p3+j));
printf("\n");
}
for(i = 0; i < 3; i++)
{
p2 = b[i];
for(p2 = b[i]; p2-b[i] < 4; p2++)
{
p3 = &p2;
printf("%4d", **p3);
}
printf("\n");
}
}
輸出的結(jié)果：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
11 12 13 14
15 16 17 18
19 20 21 22
11 12 13 14
15 16 17 18
19 20 21 22
四、函數(shù)指針和函數(shù)引用
函數(shù)指針是C＋＋最大的優(yōu)點(diǎn)之一。和使用普通指針相比，高級(jí)程序員只要有可能都更愿意使用引用，因?yàn)橐酶菀滋幚硪恍?。然而，?dāng)處理函數(shù)時(shí)，函數(shù)引用對(duì)比函數(shù)指針就未必有這個(gè)優(yōu)勢(shì)了?，F(xiàn)有的代碼很少使用函數(shù)引用。下面將向介紹如何函數(shù)指針、如何使用函數(shù)引用以及分別在什么情況下使用它們。
① 函數(shù)指針的例子
#include <iostream>
void print(int i)
{
std::cout << i << std::endl;
}
void multiply(int& nDest, int nBy)
{
nDest *= nBy;
}
void print_something()
{
std::cout << "something" << std::endl;
}
int sayHello()
{
std::cout << "Hello, World!" << std::endl;
return 10;
}
int main()
{
void (*pFunction_1)(int);
pFunction_1 = &print;
pFunction_1(1);
// 輸出結(jié)果為1
void (*pFunction_2)(int&, int) = &multiply;
int i = 1;
pFunction_2(i, 10);
std::cout << "i = " << i << std::endl;
// 輸出結(jié)果為10
void (*pFunction_3)();
pFunction_3 = &print_something;
pFunction_3();
// 輸出結(jié)果為something
int (*pFunction_4)();
pFunction_4 = &sayHello;
int a = pFunction_4();
// 輸出結(jié)果為Hello, World!
std::cout << a << std::endl;
// 輸出結(jié)果為10
return 0;
}
② 函數(shù)引用的例子
#include <iostream>
void print(int i)
{
std::cout << i << std::endl;
}
void print2(int i)
{
std::cout << i << std::endl;
}
void multiply(int& nDest, int nBy)
{
nDest *= nBy;
}
void print_something()
{
std::cout << "something" << std::endl;
}
int sayHello()
{
std::cout << "Hello, World!" << std::endl;
return 10;
}
int main()
{
// void (&rFunction_1)(int);
// 錯(cuò)誤：未初始化引用！引用必須初始化
void (&rFunction_2)(int) = print;
rFunction_2(1);
// 輸出1
rFunction_2 = print2;
rFunction_2(2);
// 輸出2
void (&rFunction_3)(int&, int) = multiply;
int i = 1;
rFunction_3(i, 10);
std::cout << i << std::endl;
// 輸出10
void (&rFunction_4)() = print_something;
rFunction_4();
// 輸出something
int (&rFunction_5)();
rFunction_5 = sayHello;
int a = rFunction_5(); // 輸出Hello, World!
std::cout << a << std::endl;
// 輸出10
return 0;
}
③ 函數(shù)指針和函數(shù)引用作為函數(shù)參數(shù)
#include <iostream>
void print(int i)
{
std::cout << i << std::endl;
}
void print2(int i)
{
std::cout << i * 2 << std::endl;
}
void printSomething()
{
std::cout << "Something" << std::endl;
}
void sayHello()
{
std::cout << "Hello, World!" << std::endl;
}
void call_p_func(void (*func)(int))
{
func(1);
func(2);
func(3);
}
void call_r_func(void (&func)(int))
{
func(1);
func(2);
func(3);
}
void call_p_function(void (*func)())
{
func();
}
int main()
{
std::cout << "函數(shù)指針作為參數(shù)" << std::endl;
call_p_func(&print);
call_p_func(&print2);
call_p_function(&printSomething);
call_p_function(&sayHello);
call_p_function(sayHello);
// 上面兩句對(duì)于某些編譯器來(lái)說(shuō)是一樣的，但是推薦使用前者的寫(xiě)法，
// 這樣可以是程序的可讀性更好一些
std::cout << "函數(shù)引用作為參數(shù)" << std::endl;
call_r_func(print);
call_r_func(print2);
return 0;
}
總結(jié)：
函數(shù)指針的聲明使用方式：
<想要指向的函數(shù)之返回類(lèi)型>(*函數(shù)指針的名稱(chēng))<想要指向的函數(shù)之參數(shù)類(lèi)型…>
如要想聲明一個(gè)函數(shù)指針指向以下函數(shù)：
void print(int i)
{
std::cout << i << std::endl;
}
那么就可以如下操作：
void (*pFunction)(int);
然后如下用函數(shù)的地址給pFunction賦值：
pFunction = &print;
在然后，pFunction就可以和函數(shù)print一樣使用了，比如，
pFunction(1)；
等等。
函數(shù)引用的聲明和使用方式：
<欲引用的函數(shù)之返回類(lèi)型>(&函數(shù)引用的名稱(chēng))<欲引用的函數(shù)之參數(shù)類(lèi)型…>=<欲引用的函數(shù)的名稱(chēng)>，至所以如此，是引用在聲明的時(shí)候必須初始化，引用不能指向空值。
如要想聲明一個(gè)函數(shù)引用指向以下函數(shù)：
void print(int i)
{
std::cout << i << std::endl;
}
那么就可以如下操作：
void (&rFunction)(int)=print;
在然后，rFunction就可以和函數(shù)print一樣使用了，比如，
rFunction(1)；
等等。
五、const修飾指針和引用
大致而言，const修飾指針和引用分三種情況，即const修飾指針、const修飾引用和const修飾指針的引用。下面分別討論之。
① const修飾指針
const修飾指針又分為三種情況，即const修飾指針本身、const修飾指針?biāo)傅淖兞浚ɑ驅(qū)ο螅┮约癱onst修飾指針本身和指針?biāo)傅淖兞浚ɑ驅(qū)ο螅?br>
a. const修飾指針本身
在這種情況下，指針本身是常量，不能改變，任何修改指針本身的行為都是非法的，例如：
double pi = 3.1416;
double* const PI = π
double alpha = 3.14;
PI = α // 錯(cuò)誤。因?yàn)橹羔楶I是常量，不能再被改變。
*PI = alpha; // OK。雖然指針PI不能被改變，但指針?biāo)傅淖兞炕蛘邔?duì)象可變。
b. const修飾指針指向的變量（或?qū)ο螅?BR>在這種情況下，指針本身可以改變，但const所修飾的指針?biāo)赶虻膶?duì)象不能被改變，例如：
double pi = 3.1416;
const double* PI = π
double alpha = 3.14;
*PI = alpha;// 錯(cuò)誤。因?yàn)镻I所指向的內(nèi)容是常量，因此*PI不能被改變。
PI = α// OK。雖然指針?biāo)傅膬?nèi)容不能被改變，但指針PI本身可改變。從而通過(guò)這種方式改變*PI。
c. const修飾指針本身和指針?biāo)赶虻淖兞浚ɑ驅(qū)ο螅?BR>在這種情況下，指針本身和指針指向的變量(或?qū)ο?均不能被改變，例如：
double pi = 3.146;
const double* const PI = π
//double const* const PI = π
cout << "PI = " << PI << endl;
cout << "*PI = " << *PI << endl;
double alpha = 3.14;
//*PI = alpha; // 錯(cuò)誤。因?yàn)镻I所指向的內(nèi)容是常量，因此*PI不能被改變。
//PI = α // 錯(cuò)誤。因?yàn)橹羔楶I是常量，不能再被改變。
② const修飾引用
const修飾引用沒(méi)有指針修飾指針那么復(fù)雜，只有一種形式。引用本身不能被改變，但所指向的對(duì)象是可以被改變的，見(jiàn)上面“一、基本知識(shí)”。
double pi = 3.1416;
//const double& PI = pi;
double const& PI = pi; //和上面一句是等價(jià)的
//double& const PI = pi;//有問(wèn)題。很多編譯器會(huì)產(chǎn)生warning
cout << PI << endl;
③ const修飾指針引用
我們用例子來(lái)說(shuō)明。
double pi = 3.14;
const double* pPI = π
//const double*& rPI = π //錯(cuò)誤。不能將double* 轉(zhuǎn)換成const double *&
const double*& rPI = pPI; //OK。聲明指針引用的正確方法
說(shuō)明：const double*& rPI = π 為什么會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤呢？我們知道，引用是被引用對(duì)象的別名，正因?yàn)槿绱耍捎趓PI是pPI的別名，因此rPI和pPI的類(lèi)型必須完全一致。從上面的代碼段我們可以看到，rPI的類(lèi)型是const double*，而&pi的類(lèi)型是double*，因此這句程序是錯(cuò)誤的。
下面這段代碼和 ① 中的b中的情形對(duì)應(yīng)（即內(nèi)容不可變，指針可變）：
double pi = 3.1416;
double api = 3.14;
const double* pPI = π
const double* pAPI = &api;
const double*& rPI = pPI;
const double*& rAPI = pPI;
*rAPI = api; // 錯(cuò)誤。指針?biāo)赶虻闹挡荒鼙恢苯痈淖?BR>rAPI = pAPI; // OK。指針本身可以被改變
指針引用的用法還有其它的情形，由于罕用，故此不談及。
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這篇文章主要介紹了C++實(shí)現(xiàn)LeetCode(108.將有序數(shù)組轉(zhuǎn)為二叉搜索樹(shù)),本篇文章通過(guò)簡(jiǎn)要的案例,講解了該項(xiàng)技術(shù)的了解與使用,以下就是詳細(xì)內(nèi)容,需要的朋友可以參考下2021-07-07
C語(yǔ)言動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理的原理及實(shí)現(xiàn)方法
C語(yǔ)言動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理的原理是通過(guò) malloc() 函數(shù)申請(qǐng)一塊連續(xù)的內(nèi)存空間，并返回其地址，通過(guò) free() 函數(shù)釋放該內(nèi)存空間。實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)在程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)地管理內(nèi)存，即在需要內(nèi)存時(shí)申請(qǐng)，不需要時(shí)釋放，避免了靜態(tài)內(nèi)存分配的浪費(fèi)和不足2023-04-04