C++系列第八篇数据类型下篇 - 复合类型（指针及动态内存申请）

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前言

这一章节进行复合类型最后一部分指针的介绍，包含指针的概念及一些基本的使用注意事项，顺带会介绍动态内存申请。熟悉C编程的都知道，指针是最难理解也最容易使用出错的一种数据类型，所以我们本章尽量先把概念介绍清楚，后边会再出一章，介绍指针的一些高级应用，比如指针和数组的一致及不一致性。

什么是指针

指针是一个变量，其存储的是值的地址，而不是值本身。常规变量的地址，只需对变量应用地址运算符(&)，就可以获得它的位置;例如，如果 home 是一个变量，则&home 是它的地址。使用常规变量时，值是指定的量，而地址为派生量。而指针将地址视为指定的量，而将值视为派生量。

指针用于存储值的地址。因此，指针名表示的是地址。*运算符被称为间接值或解除引用运算符，将其应用于指针，可以得到该地址处存储的值。间接值运算符和乘法使用的符号相同;C++根据上下文来确定所指的是乘法还是解除引用。

指针的声明和初始化

我们看概念之前，先通过示例直观的感受下，示例中value_ptr 是一个指针，指向了char 类型（输出时做强制转换是因为cout 默认会把char * 指针按字符串进行输出，而不是打印地址，所以我们转换成void * 输出地址）

声明

计算机需要跟踪指针指向的值的类型。例如，char 的地址与 double 的地址看上去没什么两样，但char 和 double使用的字节数是不同的，它们存储值时使用的内部格式也不同。因此，指针声明必须指定指针指向的数据的类型。例如，int *p_updates;这表明，*p_updates 的类型为 int。由于*运算符被用于指针，因此p_updates 变量本身必须是指针。我们说p_updates 指向int 类型，我们还说p_updates 的类型是指向int 的指针，或int*。可以这样说，p_updates是指针(地址)，而*p_updates 是 int。

*运算符两边的空格是可选的。传统上，C 程序员使用这种格式:int *ptr;这强调*ptr 是一个int 类型的值。而很多C++程序员使用这种格式:int* ptr:这强调的是:int*是一种类型--指向 int 的指针。在哪里添加空格对于编译器来说没有任何区别，甚至可以这样做:int*ptr。我个人还是喜欢使用C语言的风格方式，因为平常做项目基本都是C主导，C++可能是其中的一些模块代码，要遵守整个项目的编程规范。

可以用同样的句法来声明指向其他类型的指针，如 double * tax_ptr;由于已将tax_ptr 声明为一个指向double 的指针，因此编译器知道*tax_ptr 是一个 double 类型的值。也就是说，它知道*tax_ptr 是一个以浮点格式存储的值，这个值占据 8 个字节(在大多数系统上)。指针变量不仅仅是指针，而且是指向特定类型的指针。tax_ptr 的类型是指向 double 的指针(或double *类型)，ptr是指向 int 的指针类型(或int *)。尽管它们都是指针，却是不同类型的指针。和数组一样，指针都是基于其他类型的。

初始化

可以在声明语句中初始化指针。在这种情况下，被初始化的是指针，而不是它指向的值。如开始的示例中 char *value_ptr; value_ptr = &value; 这两句代码，可以合并为 char *value_ptr = &value; 这种声明时初始化的方式。

指针很危险

创建指针时，计算机将分配用来存储地址的内存，但不会分配用来存储指针所指向的数据的内存。为数据提供空间是一个独立的步骤，C语言使用malloc 为数据存储申请空间，C++使用new 为数据存储申请空间。不管是哪种申请方式，切记，一定要让先给指针指向正确、可用的地址空间，才能操作指针，进行写值操作，否则就是访问野指针，很容易造成进程crash。

long *ptr;
*ptr = 2233;

如上边的代码，ptr 确实是一个指针，但它指向哪里呢?上述代码没有将地址赋给ptr。那么 2233 将被放在哪里呢? 我们不知道。由于ptr没有被初始化，它可能有任何值。不管值是什么，程序都将它解释为存储223323 的地址。如果fellow 的值碰巧为 1200，计算机将把数据放在地址1200 上，即使这恰巧是程序代码的地址。fellow 指向的地方很可能并不是所要存储 223323 的地方。这种错误可能会导致一些最隐匿、最难以跟踪的bug。

指针和数字

指针不是整型，虽然计算机通常把地址当作整数来处理。从概念上看，指针与整数是截然不同的类型。整数是可以执行加、减、除等运算的数字，而指针描述的是位置，将两个地址相乘没有任何意义。从可以对整数和指针执行的操作上看，它们也是彼此不同的。因此，不能简单地将整数赋给指针。

int *pt;
pt = 0xB8000000; // type mismatch

上边的示例中，左边是指向int的指针，因此可以给它赋地址值，但右边是一个整数，这条语句没有个告诉程序，这个数字是一个地址，C99之前，C语言允许这样赋值。但C++在类型一致方面要求更严格，编译器将显示一条错误消息，通告类型不匹配。要将数字值作为地址来使用，应通过强制类型转换将数字转换为适当的地址类型，即 "pt = (int *)0xB8000000;" 。

动态申请及释放内存

上边声明和初始化章节，我们是将指针初始化为变量的地址；变量是在编译时分配的有名称的内存，而指针只是为可以通过名称直接访问的内存提供了一个别名。

指针真正的用武之地在于，在运行阶段动态分配未命名的内存以存储值。在这种情况下，只能通过指针来访问内存。在 C 语言中，可以用库函数malloc()来分配内存；在C++中仍然可以这样做，但C++还有更好的方法--new运算符。代码要告诉new，需要为哪种数据类型分配内存;new将找到一个长度正确的内存块，并返回该内存块的地址。代码的责任是将该地址赋给一个指针。

int *pn= new int;

new int 告诉程序，需要适合存储int 的内存。new运算符根据类型来确定需要多少字节的内存。然后，它找到这样的内存，并返回其地址。接下来，将地址赋给 pn，pn 是被声明为指向 int 的指针。现在，pn 是地址，而*pn 是存储在那里的值。

需要指出的另一点是，new分配的内存块通常与常规变量声明分配的内存块不同。我们上边举例中函数中的变量值都存储在栈(stack)的内存区域中，而new从被堆(heap)或自由存储区(free store)的内存区域分配内存。

当需要内存时，使用new 来请求。不需要的时候，使用 delete 运算符，将new 申请的内存归还给内存池。归还或释放(free)的内存可供程序的其他部分使用。使用 delete 时，后面要加上指向内存块的指针(这些内存块最初是用new 分配的)。一定要配对地使用new 和delete;否则将发生内存泄漏(memory leak)，也就是说，被分配的内存再也无法使用了。如果内存泄漏严重，则程序将由于不断寻找更多内存而终止。不要尝试释放已经释放的内存块，C++标准指出，这样的结果将是不确定的，这意味着什么情况都可能发生。另外，不能使用 delete 来释放声明变量所获得的内存。

只能用 delete 来释放使用 new 分配的内存。对空指针使用delete 也是安全的。注意，使用 delete 的关键在于，将它用于new 分配的内存。这并不意味着要使用用于new 的指针，而是用于new的地址。