分清 C++的指针、引用和数组

C++ 里面的指针常常使初学者感到困惑,尤其是和引用,常量,数组等组合起来的时候,一个变量是数组,还是指针,指针是常量,还是所指对象是常量就显得更模棱两可了,例如下面这些代码:

如果你也有类似的困惑的话,希望在读完本文之后,会有一个清晰的概念。

热身

一个内存位置,保存一个值,内存位置也可以作为值,这就叫做指针。在事情变得复杂之前,我们可以确定两件事:一个变量保存的要么是地址,要么是值。现在,我们从最简单的概念开始:

  1. 指针保存的是地址,解引用得到对象的值
  2. 引用类型是真实对象的“绑定”,可以当做这个对象的另一个名字来使用,对引用类型的操作,就是对真实对象的操作(引用必须初始化!)。取地址得到的是对象的地址
  3. 解引用 * ,取地址 & 具有双重含义:在表达式中作用如1 2 粗体所示;在声明中,它们用来组成复合类型。注意:int *p = i;

举个栗子:

那么问题来了:改变的是指针指向的对象呢?还是对象的值呢?

法则一:改变的永远是等号左侧的对象。

比如,第2行,等号的左侧是定义,r 是 int 类型的引用,引用“绑定”了 i;第4行,等号左侧是指针,那么改变的就是 指针的值,也就是所指的对象;第7行,等号左边是指针解引用,那么修改的就是指针指向的对象,即 i;最后一行,等号左侧是引用类型取地址,是一个地址,额,对一个地址赋值,很显然这一行是错误的……

注意:虽然上文说了某些符号在定义式中有另一种含义,但这还是常常使人混淆——*p不应该是变量的值吗? 我有个小技巧,将在定义式中的*理解成为类型的一部分,将它看成和 int 的组合就好了,像这样:int * p = i;

复合类型

上面的概念是不是很简单?接下来要将指针和引用相互组合,产生更复杂的类型了。

指向指针的指针

首先,指针先指向了一个对象。这个对象保存的是个地址,对这个地址解引用,可以得到令一个对象的值。

在内存中,是这个样子的:

pointer

指向指针的引用

由于引用不是真实的对象,所以不存在“指向引用的指针”,但却可以有“指向指针的引用。”这时,上文的规则同样适用,即作为指针的别名使用。

现在就有点复杂了,r 到底是指针还是引用呢?法则二:从右向左读。例如第三行的 r ,左边是 &,所以它是个引用类型,再向右,* 表示引用的这个类型是一个指针,再向右 int 表示,这个指针的类型是int,综合,r就表示“一个指向 int 型的指针的引用。

const限定符和constexpr

当 const 涉及指针的时候,可以分为两种情况:

  1. 顶层const:指针本身是个常量,不能改变所指的对象。
  2. 底层const:指针指向的对象是一个常量,不能改变或者通过指针改变这个对象的值。

不要慌,这里法则二依然适用:从右向左。对于 p1,右侧是 const ,表示 p1 是一个常量,向右,p1 是常量指针,再右,常量指针 p1 指向了 int 型。

小试牛刀:解释一下p2和p3吧!

constexpr

这是 C++11 的新规定,允许将变量声明为 constexpr 类型以便由编译器来验证变量的值是否是一个常量表达式。

“变量的值”,就是左值,说白了就是基本类型是不是一个常量。比如 a 基本类型是 int ,constexpr 就指定 int 型为常量。 p 是一个指针,constexpr 指定指针 p 是一个常量。由此,我们可以得到法则三:constexpr 声明中如果有指针,那么constexpr 只对指针有效,而与对象无关。

类型别名

类型别名顾名思义,就是将复杂的变量名起一个好听好记的名字。可以参考1-3行,这是类型别名的常用的例子(其实最常用的时候,是给长长的结构体取“外号”)。

看完了前3行之后,你可能觉得“就是个别名,那我理解的时候,替换成原来的名字就好了!”所以你就会像 p_c_str 那样,去解释 c_p_str :按照我们的从“右向左法则”,它首先是一个指针,然后指向 char 型,这个 char 型是 const 的,所以这是一个“指向char 型常量的指针”。

这是完全错误的!是我们的“从右向左”法则出错了吗?不是的,要相信,从右向左在任何时候都是对的,如果它错了,那么一定是你错了——你错就错在,将 typedef 指定的别名拆开理解了。正确的理解很简单,对于 typedef,你要从心底认为这是同一个类型的别名,pstring 是“指向 char 型的指针”,永远都是。对于 c_p_str,从右向左的时候,第一步是“它是一个指向 char 型的指针”,而不是“它是一个指针”。第二步理所应当的是“这个指针的类型是 const 的”,综合,c_p_str 就是“指向 char 类型的常量指针”。

法则四:typedef 定义的类型别名不要替换成原来的名字去理解!

小试牛刀,解释一下 ps 吧!答案是:“ps 是一个指针,它指向了一个对象,这个对象是一个指向 char 的常量指针。”

decltype 类型指示符

这也是 C++11 的新标准,编译器分析表达式并返回其类型,要注意的是,不会计算表达式的值。这点非常重要,因为上文说过,引用从来都是作为所指对象的同义词出现,但只有在deltype 的时候是个例外。原因如下:

第三行因为编译器阶段并不会对 *p 求值,所以直接返回一个引用类型。这个地方,引用就和所绑定的对象有区别了。(事实上,第三行是错误的,因为定义引用的时候没有初始化。)

法则五:在(且仅在)deltype 处,引用不是对象的同义词!

数组

引用可以绑定数组,指针可以指向一个数组,数组可以存放指针,但是唯独不存在引用的数组!参考下面的例子:

很显然,这里不能再用从右向左了,不然的话,”[ ]”永远也读不到了。对于负责的数组声明,要由(内)向外阅读——法则六。

例如 p_array ,首先,它是一个指针(内指的是括号内),然后类型修饰符从右向左再依次绑定:指向的是一个数组,这个数组是int型。 再复杂的数组,也可以以此类推。

Summary

  1. 改变的永远是等号左侧的对象。
  2. 从右向左读(类型修饰符依次绑定)。
  3. constexpr 声明中如果有指针,那么constexpr 只对指针有效,而与对象无关。
  4. typedef 定义的类型别名不要替换成原来的名字去理解!
  5. 在(且仅在)deltype 处,引用不是对象的同义词!
  6. 对于复杂的数组声明,要先从内向外读,再按照从右向左。

不是 So easy 呢?你会读了吗?

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