第一节 · 无中生有 · 初识动态内存

在 C++ 中，直接操作内存是一种强大而危险的能力。指针和引用是实现这种操作的两种主要方式。

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什么是指针

指针是存储内存地址的变量。就像门牌号指向具体的房子一样，指针"指向"内存中的某个位置。

int n = 42;
int* p = &n;  // p 存储 n 的地址

cout << n << endl;   // 42 - n 的值
cout << &n << endl;  // 0x7fff... - n 的地址
cout << p << endl;   // 0x7fff... - p 的值（即 n 的地址）
cout << *p << endl;  // 42 - p 指向的值

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指针运算符

运算符	含义
&	取地址运算符
*	解引用运算符

int x = 10;
int* ptr = &x;   // ptr 指向 x

*ptr = 20;       // 通过指针修改 x 的值
cout << x << endl;  // 20

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空指针

int* p1 = nullptr;   // C++11 推荐
int* p2 = NULL;      // C 风格
int* p3 = 0;         // 也可以

if (p1 == nullptr)
{
    cout << "指针为空" << endl;
}

// 使用前必须检查
if (p1 != nullptr)
{
    cout << *p1 << endl;  // 安全
}

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指针与数组

数组名本身就是指向第一个元素的指针。

int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};

int* p = arr;      // 等价于 int* p = &arr[0]

cout << *p << endl;       // 1
cout << *(p + 1) << endl; // 2
cout << p[2] << endl;     // 3 - 指针也可以用下标

// 指针算术
for (int* q = arr; q != arr + 5; ++q)
{
    cout << *q << " ";
}
// 1 2 3 4 5

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什么是引用

引用是变量的别名。一旦绑定，就永远指向同一个对象。

int n = 42;
int& ref = n;  // ref 是 n 的引用

cout << n << endl;    // 42
cout << ref << endl;  // 42

ref = 100;
cout << n << endl;    // 100 - n 也变了

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引用 vs 指针

特性	引用	指针
初始化	必须在声明时初始化	可以稍后赋值
空值	不能为空	可以为 nullptr
重新绑定	不能重新绑定	可以指向其他对象
语法	使用简单，无需解引用	需要 * 和 &

int a = 1, b = 2;

// 引用
int& ref = a;
ref = b;      // 这是赋值，不是重新绑定！
cout << a << endl;  // 2 - a 的值变了

// 指针
int* ptr = &a;
ptr = &b;     // 这是重新绑定
cout << *ptr << endl;  // 2

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函数参数传递

// 值传递 - 复制
void byValue(int n)
{
    n = 100;  // 不影响原值
}

// 指针传递 - 传地址
void byPointer(int* p)
{
    if (p) *p = 100;  // 需要检查空指针
}

// 引用传递 - 推荐
void byReference(int& n)
{
    n = 100;  // 直接修改
}

int main()
{
    int x = 0;
    
    byValue(x);
    cout << x << endl;  // 0
    
    byPointer(&x);
    cout << x << endl;  // 100
    
    x = 0;
    byReference(x);
    cout << x << endl;  // 100
    
    return 0;
}

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const 与指针

int n = 10;
const int m = 20;

// 指向常量的指针 - 不能通过指针修改值
const int* p1 = &n;
// *p1 = 30;  // 错误
p1 = &m;      // 可以重新指向

// 常量指针 - 不能重新指向
int* const p2 = &n;
*p2 = 30;     // 可以修改值
// p2 = &m;   // 错误

// 指向常量的常量指针
const int* const p3 = &m;
// *p3 = 40;  // 错误
// p3 = &n;   // 错误

记忆方法：const 在 左边，值不可变；const 在 右边，指针不可变。

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const 引用

int n = 10;
const int& ref = n;   // 只读引用

cout << ref << endl;  // 可以读
// ref = 20;          // 错误 - 不能修改

// const 引用可以绑定到临时值
const int& temp = 42;       // OK
const string& s = "hello";  // OK - 延长临时对象生命周期

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指针的指针

int n = 42;
int* p = &n;
int** pp = &p;  // 指向指针的指针

cout << n << endl;     // 42
cout << *p << endl;    // 42
cout << **pp << endl;  // 42

**pp = 100;
cout << n << endl;     // 100

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习题

• 编写一个函数，交换两个整数的值，分别用指针和引用实现。

• 解释 const int* const 的含义。

• 什么情况下必须使用指针而不能用引用？