C/C++ 编程语言指针学习

蘭雅

指针声明

指针是一种对象类型，它引用函数或另一种类型的对象，可以添加限定符。指针亦可以不引用任何内容，这通过一个特定的空指针值指示。

语法

在指针声明的声明文法中，类型说明符 序列代表所指向的类型（可以是函数或对象类型，可以是不完整类型），而声明符的形式为：

* 属性说明符序列 (可选) 限定符序列 (可选) 声明符

其中 声明符 可以是命名所声明指针的标识符，包括另一个指针声明符（这指示一个指向指针的指针）：

float *p, **pp; // p 是指向 float 的指针
                // pp 是指向指向 float 指针的指针
int (*fp)(int); // fp 是指向类型 int(int) 为函数的指针

出现在 * 与标识符（或另一个嵌套声明符）间的 限定符序列 将被声明的限定赋予指针类型：

int n;
const int * pc = &n; // pc 是指向 const int 的非 const 指针
// *pc = 2; // 错误：不能通过不带转型的 pc 修改 n
pc = NULL; // OK：pc 自身可修改
 
int * const cp = &n; // cp 是一个指向非 const 的 int 的 const 指针
*cp = 2; // OK：通过 cp 修改 n
// cp = NULL; // 错误：cp 自身不能修改
 
int * const * pcp = &cp; // 指向指向非 const 的 int 的 const 指针的非 const 指针

属性说明符序列(C23) 为属性的可选列表，应用到被声明的指针。

解释

指针用于间接使用，这是种普遍存在的编程技巧；它们可以用于实现按引用传递语义，访问有动态存储期的对象，实现“可选”类型（使用空指针值），结构体间的聚合关系，回调（使用指向函数指针），泛型接口（使用指向 void 的指针）以及其他更多。

指向对象的指针

指向对象的指针可以通过应用于对象类型（可以不完整）表达式的取值运算符初始化：

int n;
int *np = &n; // 指向 int 的指针
int *const *npp = &np; // 指向指向非 const 的 int 的 const 指针的非 const 指针
 
int a[2];
int (*ap)[2] = &a; // 指向 int 数组的指针
 
struct S { int n; } s = {1}
int* sp = &s.n; // 指向作为 s 成员的 int 的指针

指针可以出现作间接运算符（一元 *）的操作数，它返回标识所指向对象的左值：

int n;
int* p = &n; // 指针 p 指向 n
*p = 7; // 存储 7 于 n
printf("%d\n", *p); // 左值到右值转换从 n 读取值

指向结构体和联合体类型的对象的指针亦可作为经由指针的成员访问运算符 -> 的左操作数出现。

因为数组到指针隐式转换，指向数组首元素的指针可通过数组类型表达式初始化：

int a[2];
int *p = a; // 指向 a[0]
 
int b[3][3];
int (*row)[3] = b; // 指向 b[0]

有一些加法、减法、复合赋值、自增和自减运算符对指向数组元素的指针有定义。

比较运算符在一些情况下对指向对象的指针有定义：两个表示相同地址的指针比较相等，两个空指针值比较相等，比较指向同一数组的元素的指针以两个元素的数组下标进行比较，以及指向结构体成员的指针以这些成员的声明顺序进行比较。

许多实现亦提供对任意来源指针的严格全序，例如若它们实现在连续（“平直”）的虚拟地址空间上。

指向函数的指针

指向函数的指针可由函数地址初始化。因为函数到指针转换，取址运算符是可选的：

void f(int);
void (*pf1)(int) = &f;
void (*pf2)(int) = f; // 与 &f 相同

不同于函数，指向函数的指针是对象，从而能存储在数组中，被复制、赋值，作为参数传递给其他函数等等。

指向函数的指针可以用作函数调用运算符的左操作数；这会调用所指向的函数：

#include <stdio.h>
 
int f(int n)
{
    printf("%d\n", n);
    return n * n;
}
 
int main(void)
{
    int (*p)(int) = f;
    int x = p(7);
}

解引用函数指针产生所指向函数的函数指代符：

int f();
int (*p)() = f;    // 指针 p 指向 f
(*p)(); // 通过函数指代器调用函数 f
p();    // 直接通过指针调用 f

相等性比较运算符定义于指向函数的指针（若指向相同函数则它们比较相等）。

因为函数类型的兼容性忽略函数形参的顶层限定符，指向仅在形参的顶层限定符有区别的函数指针是可互换的：

int f(int), fc(const int);
int (*pc)(const int) = f; // OK
int (*p)(int) = fc;       // OK
pc = p;                   // OK

指向 void 指针

指向任意类型对象的指针能隐式转换成指向 void 的指针（可选地有 const 或 volatile 限定），反之亦然：

int n=1, *p=&n;
void* pv = p; // int* 到 void*
int* p2 = pv; // void* 到 int*
printf("%d\n", *p2); // 打印 1

指向 void 的指针用于传递未知类型的对象，这在泛型接口中常用：malloc 返回 void*，qsort 期待用户提供接受两个 const void* 实参的回调。pthread_create 期待用户提供接受并返回 void* 的回调。所有情况下，调用方负责在使用前将指针转换到正确的类型。

空指针

每种类型的指针都有含有一个该类型的特殊的值，称为空指针值。值为空的指针不指向对象或函数（解引用空指针是未定义行为），而且与所有相同类型的且值以为空的指针比较相等。

为将指针初始化为空值，或将空值赋给已存在的指针，可以使用空指针常量（NULL，或其他任何拥有值零的整数常量）。静态初始化亦将指针初始化到它们的空值。

空指针可以指示对象不存在，或可用于指示其他种类的错误条件。通常，接收指针实参的函数几乎总是需要检查该值是否为空，并对该情况特殊处理（例如，free 在传递空指针时不做任何事）。

注解

尽管任何指向对象的指针能被转型成指向其他类型对象的指针，解引用指向类型异于对象声明类型的指针几乎总是未定义行为。细节见严格别名使用。

可以指示函数，通过不会有别名使用的指针访问对象。细节见 restrict。

(C99 起)

数组类型的左值表达式，在大多数语境中使用时，会经历隐式转换到指向数组首元素的指针。细节见数组到指针转换。

char *str = "abc"; // "abc" 是 char[4] 类型的数组，str 是指向 'a' 的指针

指向 char 的指针通常用于表示字符串。为表示合法的字节字符串，指针必须指向作为 char 数组元素的 char，而且在大于或等于指针所引用元素的下标的某个下标处，必须有零值的 char。