现代C++学习笔记（3）：指针与数组

Image （题图来自网络并做适当修改）

指针是C/C++的著名难点，因其总伴随崩溃级“灵异事件”，而劝退了无数人。但在现代C++中，大可不必忧心于此，因为新标准和支持库，已经让书写安全代码变得无比简单直接。遵循一定的规范和习惯，是可以避免绝大多数问题的。当然，为了运用自如，揭开这些防护包装，了解一些基本原理，知其所以然，还是有必要的。

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之所以把指针与数组放到一起来说，是因为它俩经常是同一东西的两面。为了理解更清晰，在谈指针前，不得不回顾下关于计算机内存的一点点基础知识。

内存的基本单位是字节，一个字节通常由八个二进制位组成。每个字节通过0-1组合，可以表示 2^8 = 256 种状态。如果把这些状态用于无符号整数，则表示 [0, 255] 的范围。如果把最高位当做正负号，所表示的则是有符号整数，即 [-128, 127] 的范围。这就是 C++语言中的 unsigned char 与 signed char 类型。在上一篇中，我们还提到了其他占用不同大小内存块的整数类型（short、long、long long等），其实也就对应了不同的整数表示范围。

为了对内存进行数据存取，就需要将整个内存块进行编号，通常使用无符号整数的方式来表示，这种唯一编号每个内存字节的整数，就称为内存地址。所以，内存地址本身占据的大小（即包含多少个二进制位），就决定了其所表示的整数范围，也就决定了它能使用的内存上限。该内存地址大小，也就是指针变量所占内存的大小。想要查看自己编写的C++代码，其采用的内存地址大小，可用如下代码：

std::cout « sizeof(void*) « std::endl; 2

C++的基础语法基本都是从C语言继承下来的。除了前面提及的整数类型与浮点数类型外，通常我们还经常用到的数据类型是字符串。在C语言的内建类型中，其实是没有真正的字符串类型的。C语言可以定义字符串，例如：

const char* msg = “Hello, world!”; 然而，这只是告知了编译器，需要在程序的数据段中预留出一块连续空间，存入这段文字而已。然后，这块内存的起始地址，赋予了msg这个字符型指针变量。

上述代码还可以写成数组的形式：

const char msg[] = “Hello, world!”; 这两种写法，以及后续对它们的使用，看起来几乎是一样的效果。不过，使用 sizeof() 获取其长度时，能窥见细微的差别：

void foo() { const char* s = “Hello, world!”; const char t[] = “Hello, world!”; std::cout « sizeof(s) « std::endl; // 4 or 8 std::cout « sizeof(t) « std::endl; // 14 } 上面的代码中，s 表示的仅仅是一个指针，其存放的内容是该字符串的起始地址，而 t 表示的，则是整个数组，即包含了14个字节（含末尾表示字符串结束的 ‘\0’ ）的整个内存块。

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上述细微差别的重要性，在于我们将其用于函数参数，以及由此在遭遇模板型别推导时，会变得很关键。看如下代码：

template void f(T param); 若将上面的字符指针（s）或字符数组（t）作为参数传给该函数，将会分别得到如下扩展：

void f(const char* param); void f(const char param[]); 这两种扩展是完全等效的，其实会合并成一种展开形式，并相应生成最终的编译可执行代码。

但如果模板的定义是引用类型，则一切就会变得不一样：

template void f(T& param);

f(s); // 对于指针，扩展得到的T类型是const char* f(t); // 对于引用，扩展得到的T类型是const char(&)[14] 在后一种形式中，数组元素个数也被纳入类型的定义，参与到型别推导中。这就意味着，如果你调用了几次该模板函数，且分别传入了不同大小的数组，那么编译器会“智能”地为每个不同的元素个数，都生成对应版本的函数代码。是的，显然它“膨胀”了。

C语言中没有引用类型，非原生类型只能通过指针传入函数。而在C++语言中，引用起到了类似指针的作用，以一种更便利的语法形式，且不用担心指针可能为空而引发灾难。引用提供了无限的可能性，你可以认为它的确就是把整个变量（上面的例子就是整个数组，即那14个字节的内存块）传递到了函数中。

大多数情况下，上述知识都更像是没有实际用途的“屠龙之技”。但这种对语言的深度理解，正是熟练掌握C++这门语言，成为这个圈子中的高手的关键（此处强烈推荐《深度探索C++对象模型》一书，该书揭示了关于class背后的众多隐藏特性，那些编译器会自动帮你完成的工作，在C语言中你通常需要自己来实现它们）。正如Scott Meyers在书中说的，“了解到这个程度，会让你在面对极少数较真的人时，挣得好大一个面子”。

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关于C/C++的原生数组，通常其元素个数（即数组长度）是个常数：

int a[] = { 1, 2, 3, 4 }; // sizeof(a) = 4 * sizeof(int) int b[5] = { 1, 2, 3, 4 }; // b[4] 会自动填充为 0 int c[3] = { 1, 2, 3, 4 }; // 编译会发生错误或警告，最后一个元素会被截掉 int n = 4; int d[n]; // 编译会发生错误，因为不能用变量来定义数组长度 为了使模板推断得到的数字，可以用于诸如数组长度定义等场合，C++新标准中引入了 constexpr 关键字。其用法可参见如下代码：

template<typename T, std::size_t N> constexpr std::size_t arraySize(T (&)[N]) noexcept { return N; }

int keyVals[] = { 1, 3, 7, 9, 11, 22, 35 }; int mappedVals[arraySize(keyVals)]; // 通过前一个数组长度，定义一个新数组 上述 arraySize 函数，会在编译过程中被完全展开，而不会出现在最终的编译结果文件中。这就是所谓的在“编译期”进行编程，这是成为C++高手所要掌握的重要技能。

在C++标准库STL中，为了让原生数组表现得与其他容器具有类似的用法，提供了一个 std::array 类型，也是值得推荐的：

#include void foo() { std::array<int, 3> a = {1,2,3}; // 相当于 int a[3] = {1,2,3}; std::cout « a.size() « std::endl; // 3 std::cout « a[1] « std::endl; // 2 } 5

指针之所以成为难点，在于它太过强大，以至于经常被超出正常范围地被误用，导致越界访问，而出现难以追查的崩溃性错误。

在C++中，为了规避此类问题，做了大量的封装，让安全的代码能被更容易且更直接地写出。数组通常可以使用 array 或 vector 等容器来替代，而指针也有各类智能指针的解决方案，最好用的当属 unique_ptr 或 shared_ptr 。学会它们，基本上就可以应付绝大多数日常情况了。关于这些内容，我们在后面的章节学习中再来详细介绍。

注：本文首发表于“不靠谱颜论”公众号，并同步至本站。