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C++：指针（Pointers）

article/2025/6/21 19:22:30

什么是指针？

为什么需要指针？

1. 访问堆（Access Heap）

2. 资源管理（Resource Management）

3. 参数传递（Parameter Passing）

如何声明和使用指针？

如何利用指针访问堆内存？

1. 使用 malloc 访问堆内存

2. 使用 new 访问堆内存

什么是指针？

指针是一个地址变量，用于存储数据的地址，而不是数据本身。

普通变量是数据变量，但指针是地址变量，用于间接访问数据。

所以，我们提出问题：为什么我们需要间接访问数据？

为什么需要指针？

1. 访问堆（Access Heap）

程序运行时，RAM（随机存取存储器，Random Access Memory）分为三部分：

代码部分（Code Section）：存储程序的机器码（Machine Code），即编译后的指令。
栈（Stack）：存储局部变量（Local Variables，如函数内的int、char），由系统自动分配和释放。栈大小有限，变量生命周期随函数作用域结束。
堆（Heap）：更大的内存区域，程序员通过动态分配（Dynamic Allocation）使用，生命周期由程序员控制。

程序可以直接访问的部分是代码部分和栈内存，无法直接使用堆内存。所以说，堆内存在程序之外，那么该如何访问堆内存呢？这时就需要用到了指针。

堆内存的分配需要通过new操作符，分配后返回内存地址，存储在指针中。例如：

int* ptr = new int; // 在堆上分配一个整数，ptr存储其地址
*ptr = 10;         // 通过指针访问堆内存，存储值10

没有指针，程序无法操作堆内存，也就无法实现动态数据结构或存储大块数据。

2. 资源管理（Resource Management）

程序运行在内存中，但需要访问外部资源，如文件（Files）、硬盘（Hard Disk）、互联网（Internet）（如网络套接字Socket）。这些资源位于程序外部，操作系统（Operating System）管理它们，程序无法直接访问其内容。

外部资源（如文件、硬盘、互联网连接）由操作系统分配句柄或内存地址，程序通过指针访问这些句柄。例如：

FILE* fp = fopen("data.txt", "r"); // 打开文件，fp指向文件句柄
if (fp != nullptr) {// 通过fp操作文件fclose(fp); // 关闭文件，释放资源
}

这里，fp是一个指针，指向操作系统分配的文件句柄（File Handle），程序通过它读写文件。

外部资源（如文件、硬盘、互联网）在程序外部，操作系统通过句柄或地址管理，指针是程序访问这些资源的唯一途径。指针通过地址共享资源，提高效率。

3. 参数传递（Parameter Passing）

C++默认使用值传递（Pass by Value），传递数据副本，函数内修改不影响原数据。复制大对象（如数组、结构体）效率低，且无法修改调用者的变量。
函数需要高效传递数据，有时需要修改原数据，或表示“无数据”状态。

指针支持按地址传递（Pass by Pointer），让函数直接操作调用者的内存。例如：

void swap(int* a, int* b) {int temp = *a; // 访问a的内存*a = *b;       // 修改a的内存*b = temp;     // 修改b的内存
}
int main() {int x = 10, y = 20;swap(&x, &y);  // 传递x和y的地址// x现在是20，y是10
}

如何声明和使用指针？

这部分不再赘述，详细教程可以参考下面的学习网站：

C++ 指针 | 菜鸟教程

如何利用指针访问堆内存？

1. 使用 malloc 访问堆内存

malloc（Memory Allocation）是C语言的动态内存分配函数，C++中仍然可用，位于<cstdlib>头文件中。它分配原始内存，不初始化，适合C风格编程。

首先声明一个指针，指定指向的数据类型。

分配堆内存：

ptr = (int*)malloc(sizeof(int)); // 分配一个整数大小的内存

使用malloc分配指定大小的内存，返回void*类型地址，需强制转换为目标类型。
语法：ptr = (type*)malloc(size);
sizeof(int)：计算整数类型的大小
(int*)：将void*转换为int*。

访问内存（解引用，Dereference）：

通过*操作符访问或修改指针指向的内存。

if (ptr != nullptr) {*ptr = 42; // 存储值42std::cout << *ptr; // 输出：42
}

释放内存：

使用free释放堆内存，防止内存泄漏（Memory Leak）。

free(ptr); // 释放内存
ptr = nullptr; // 避免悬空指针（Dangling Pointer）

2. 使用 new 访问堆内存

new是C++的动态内存分配操作符，位于<new>头文件中（通常无需显式包含）。它分配内存并初始化（对于类会调用构造函数），是C++的首选方式。

首先声明一个指针，指定指向的数据类型。

分配堆内存：

使用new分配内存，返回目标类型的指针，无需强制转换。

ptr = new int; // 分配一个整数的内存

访问内存：

通过*操作符访问或修改内存。

*ptr = 100; // 存储值100
std::cout << *ptr; // 输出：100

释放内存：

使用delete释放内存，防止内存泄漏。

delete ptr; // 释放内存
ptr = nullptr; // 避免悬空指针

分配动态数组：

使用new[]分配连续内存，适合动态数组。

int* arr = new int[5]; // 分配5个整数的数组
for (int i = 0; i < 5; i++) {arr[i] = i + 1; // 填充数组：1, 2, 3, 4, 5
}
delete[] arr; // 释放数组内存
arr = nullptr;

关键点

new自动匹配指针类型，无需强制转换，比malloc更安全。
对于类，new会调用构造函数，delete调用析构函数，适合面向对象编程。
数组用new[]分配，delete[]释放，匹配使用以避免未定义行为。