3.7 指针类型

2025年5月31日大约 4 分钟

指针（pointer）是 C++ 中的一种复合类型。指针类型是一种对象类型，具有大小、地址和对齐要求。指针类型的对象可以存储另一个对象的地址，从而实现对另一个对象的可变引用。

目前而言，读者可以将指针理解为存储了另一个对象的地址。指针类型的主要作用是提供对内存地址的直接访问和操作。

指针的声明与初始化

声明指针时，需要指定它所指向的数据类型，并在类型名后加上 *：

int* p;      // 声明一个指向 int 的指针
double* dp;  // 声明一个指向 double 的指针

指针变量的初始化通常使用取地址操作符 &，这是一种独特的一元表达式，它的结果是一个指向操作数对象的指针值。取地址操作符 & 返回一个对象的地址，这个地址可以被存储在指针变量中。

int a = 10;
int* p = &a; // p 存储变量 a 的地址

也可以使用 auto 关键字来自动推导指针类型：

int a = 10;

auto p1 = &a; // p1 的类型自动推导为 int*
auto* p2 = &a; // p2 的类型明确为 int*，使用 auto* 明确这里是一个指针类型

通过解引用操作符 *，可以访问指针所指向的对象，这是一种独特的一元表达式，表达式的结果是指针所指向的对象的值，并且指代这个对象（即是一个左值表达式）：

int a = 10;
int* p = &a;

*p = 20; // 修改 a 的值为 20，这和引用绑定是类似的

指针和引用的区别是指针是可变的引用，可以重新指向其他对象，而引用一旦绑定后就不能改变。

int a = 30;
int* p = &a;
int b = 40;
p = &b; // p 现在指向 b，而不是 a

*p = 50; // 修改 b 的值为 50

指针可以默认初始化，类似于整数类型，此时指针的值是无效的。使用未初始化的指针导致未定义行为。

int* p; // 未初始化的指针，可能指向一个随机地址
*p = 10; // 错误，未定义行为

指针在未指向任何有效对象时，应该初始化为 nullptr，对 nullptr 的解引用也是未定义行为，但是在多数的实现中，发生对 nullptr 的解引用会确定性地立即导致程序崩溃，而不是产生完全未知的结果。

int* p = nullptr; // 推荐
*p = 10; // 错误，未定义行为

nullptr 是一个特殊的关键字，用来表示空指针值。它的类型是 std::nullptr_t，可以用来将任何指针类型值初始化为一个空指针值。

此外，也可以使用 0 或 NULL 来表示空指针值，但推荐使用 nullptr，因为它更安全且类型明确。

int* p1 = 0;    // 旧式写法，表示空指针
int* p2 = NULL; // 旧式写法，表示空指针

C++ 规定，空指针值的指针和 nullptr、0、NULL 比较是相等的，例如：

int* p = nullptr;
p == 0   // true

但需要注意，空指针的值表示的字节不需要全都是 0。

实际使用中不推荐使用 0 或 NULL，它们可能导致严重的维护问题。原因我们在介绍了更多的内容后再来讨论。

在程序执行到某个对象的块作用域结尾时，这个对象的生命期迎来结束，但指向这个对象的指针并不会立即失效。例如：

int * p;

if(...) {
    int a = 1;
    p = &a; // p 指向 a
}

// 这里 a 的生命期结束了，但 p 仍然指向 a 的地址
*p = 2; // 错误，未定义行为

在上面这段程序的最后，p 成为一个悬垂指针（dangling pointer），或者野指针（wild pointer），它指向一个已经不存在的对象。对悬垂指针的解引用是未定义行为。

为什么我的程序里*p没有直接报错？

不同于空指针，对悬垂指针的解引用无法被确定性地检查。

实际的程序为了效率，可能会保持野指针指向的内存有效，以方便未来复用——届时解引用就会得到恰好占据了这个位置的另一个对象的值。此时程序无法检查这种解引用的有效性。
此外，*p 如果没有进行任何读写操作，编译器可能会优化掉这个解引用操作，从而不会出错。

但注意，上述这些情况没有报错，并不能代表这样的程序行为是正确的。