C/C++指针介绍与使用详解

什么是指针

指针是C/C++中非常重要的概念，是一种特殊的数据类型，用于存储其他变量的地址。它可以说是C/C++中最具有挑战性的概念之一，也是入门程序员必须掌握的基础之一。

指针的本质是一个整数类型，但是它除了可以存储地址，也可以进行指针运算，这使得程序员可以使用指针来更灵活地操作内存，实现一些高级的算法和数据结构。

指针的定义

定义指针时，需要用到一个特殊的符号：*。这个符号通常放在指针变量前面。

int* ptr; // 定义一个int类型的指针变量
char* str; // 定义一个char类型的指针变量

这里需要注意的是，指针变量的定义只是为指针变量分配了内存空间，但是这个内存空间并没有被初始化，也就是说，这个指针变量并没有指向一个有效的内存地址。如果试图访问一个未初始化的指针变量，就会发生未定义的行为，甚至导致程序崩溃。

指针的初始化

指针变量可以通过以下方式进行初始化：

int* ptr = NULL; // 初始化为NULL，表示该指针变量不指向任何有效的内存地址
int n = 10;
int* ptr1 = &n; // 初始化为某个变量的地址
int arr[10];
int* ptr2 = arr; // 初始化为数组第一个元素的地址

其中，NULL是一个特殊的宏，表示空指针。空指针并不指向任何有效的内存地址，所以对空指针进行间接引用会导致程序异常退出。因此，在使用一个指针变量之前，最好先进行非空判断。

if (ptr != NULL) {
    // 对指针变量进行操作
}

指针的引用

使用指针的主要目的是为了访问其他变量的值，通常使用通过指针引用来实现。

int n = 10;
int* ptr = &n; // 定义一个指向n的指针变量
*ptr = 20; // 通过指针修改n的值
cout << n << endl; // 输出20

这里需要注意，*在这里是一个指针引用符号，表示访问指针所指向的变量。对一个指针变量进行间接引用会得到一个左值，可以被赋值，从而修改指针所指向的内存。

另外，指针还可以指向其他指针，这被称为多级指针。多级指针的定义和使用方式和单级指针类似，只是需要用多个*来表示。

int n = 10;
int* ptr1 = &n;
int** ptr2 = &ptr1; // 定义一个指向指针ptr1的指针
**ptr2 = 20; // 通过多级指针修改n的值
cout << n << endl; // 输出20

指针的算术运算

指针除了可以引用变量，还可以进行算术运算。通常情况下，指针的算术运算都是和数组配合使用，这样可以方便地访问数组中的元素。

指针的算术运算分为两种，一种是加法运算，另一种是减法运算。加法运算会将指针增加n个单位，其中单位指的是所指内存块的大小。减法运算同理。

int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
int* ptr = arr;
cout << *ptr++ << endl; // 输出1，等价于cout << *ptr << endl; ptr++;
cout << *(ptr+2) << endl; // 输出3，等价于cout << ptr[2] << endl;
cout << *--ptr << endl; // 输出1，等价于ptr--; cout << *ptr << endl;
cout << *(ptr-3) << endl; // 输出8，等价于cout << ptr[-3] << endl;

我们可以看到，指针可以当做数组名来使用，在其基础上进行加减运算，甚至可以使用下标访问数组元素。

指针和函数

通过指针，我们可以将数据传递给函数，并在函数内部修改数据，这是指针最常见的用法之一。

void swap(int* a, int* b) {
    int t = *a;
    *a = *b;
    *b = t;
}

int main() {
    int x = 1, y = 2;
    swap(&x, &y);
    cout << x << " " << y << endl; // 输出2 1
    return 0;
}

需要注意的是，指针参数传递是通过指针的拷贝来实现的，因此在函数内部修改指针的值并不能影响到原指针的值。如果需要修改原指针的值，可以使用指向指针的指针。

示例说明

下面举两个示例说明指针的应用。

示例一：动态内存分配

动态内存分配使用new运算符来分配内存，并返回一个指向分配内存的指针。这种方式与普通的变量定义不同，可以在运行时动态地分配或释放内存。

int* arr = new int[10]; // 动态分配一个int类型的数组，长度为10
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
    arr[i] = i;
}
for (int i = 0; i < 10; ++i) {
    cout << arr[i] << " "; // 输出0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
}
delete[] arr; // 释放内存

示例二：字符串拷贝

字符串拷贝是指将一个字符串的内容复制到另一个字符串中。可以使用指针来实现字符串的拷贝，这种实现方式非常快速和高效。

char* strcopy(char* dest, const char* src) {
    char* p = dest;
    while (*src != 0) {
        *p++ = *src++; // 逐个拷贝字符
    }
    *p = 0; // 完成拷贝后，将目标字符串结尾置为0
    return dest;
}

int main() {
    char str1[20] = "Hello, world!";
    char str2[20];
    strcopy(str2, str1);
    cout << str2 << endl; // 输出Hello, world!
    return 0;
}

总结

指针在C/C++中非常重要，可以用于动态内存分配、数组操作、字符串操作等多方面，是高级程序员必须掌握的基础知识。在使用指针时，需要注意指针的初始化和非空判断，以及指针的引用和算术运算。熟练掌握指针的使用技巧，有助于写出高效、简洁、易懂的代码。