重温C++编程-强大的指针功能与C++的引用

程序中的数据（变量，数组等）对象总是存放在内存中，在生命期内这些对象占据一定的内存空间，有确定的存储位置，实际上，每个内存单元都有一个地址，即以字节为单位连续编码。编译器将程序中的对象名转换成机器指令识别的地址，通过地址来存储对象值。

C、C++语言中把这种存放对象地址的变量叫做指针变量：

int i = 1;
int *p = &i;

指针变量的类型是它所指向的对象的类型，这样就实现了对数据的间接引用。这种操控是高效的。

C语言给人留下最深印象的是面向过程的编程(函数: functioon)，以及强大的指针操作能力。

指针作为一种对计算机中存储数据区的间接引用操作，无疑是直接和高效的。这是一把几乎没有受控的手术刀。可能是软件开发早期阶段，程序员行列还是是少数人群体，基本都是能力非常强的人，同时解决的问题场景也相对不复杂的原因，同期以C语言为代表的编程语言，给予程序员以最大可能的操控能力，为的是能解决面临的貌似比编程语言等计算机工具要难的现实问题。

那时候担心的是程序员手头工具能力的不足。因此，此种情况下，计算机系统方面对程序员是给予最高操作权限的。

指针某种程度上就是这个有近乎最高操作权限的手术刀。高效，高能，当然也是高危的。

C语言的众多问题，最核心的就是指针的不合理使用导致的难以浮现的崩溃，和难以防范有心人的不良行为带来的安全隐患。

同时，后来程序员行列人员的扩张以及代码规模的倍增，导致很难用早些年能力高超的人员素质去要求所有的程序员，特别是刚从事写代码的程序员。因此，提供简单易写，安全的编程语言就逐渐成为编程语言的主流。

这些编程语言基本都对指针做了不同程度的限制，当然在安全易用的同时，也就给指针搭上了枷锁。所以，从实际代码的执行性能的角度上，后来的这些编程语言无疑均是无法超越C语言的，因为代码从执行角度，对存储数据的操作最终都需要归到寻址上。C语言是直接公开指针操作，而后来的编程语言都给指针操作带上了壳和各种限制校验，后者这些都是代价。所以性能上都必然有所损失。

C++语言在这众多的语言中，从代码执行性能的角度无疑是仅次于C语言的。因为它一方面基本保留了C语言的指针操作的支持，另一方面也针对C语言的缺陷做了一定的细节的调整使用，以减少问题的出现。

我们先看一下C++中支持的与C语言基本一致的指针操作。

    int i = 1;
    int *p = &i;
    *p += 1;  // 对p指向的内容进行操作
    cout << "p:" << p << ", *p = " << *p << endl;   // 输出：p:0x8d58dff804, *p = 1

&操作符用于获取一个变量的地址， int* 定义了一个int类型的指针变量, *p用于获取指针指向的数据内容。

指针的运算通常用于数组对象：

    int list[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int *p = list;
    cout << "list[1]: " << *(p + 1) << endl;

指针p指向的是数组的首，通过指针的移动，可以寻找到连续存储的数组对应位置的元素。

这种寻址方式体现出数组对象存储的连续性和直接寻址的高效性。

指针对象也经常用于函数参数的传递：

int print_list(const int* list, int size) {
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        cout << "list[" << i << "]: " << *(list + i) << endl;
    }
}
int main() {
   int list[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
   print_list(p, 5)；
   return 0;
}

C++中使用const修饰符，申明函数参数中指针参数的不可改变。

可以申明指针变量为const，一个非const指针可以赋值给const指针，反之不可以。

指针做函数的入参，提供了数据传递的效率，既避免了数据的复制，同时保留了对原有数据可能的修改的能力。

我们看另外的一个例子：

    int* p = new int; // 在栈上分配一个整数类型的对象
    *p = 1;          // 初始化
    delete p; // 释放栈上内存

在C++中使用new关键字，可以在栈上分配一块存储区域，这块分配的存储必须要手工释放，否则会导致内存泄漏。

这类似于C语言中的malloc/free函数，C++推荐使用new/delete代替。

上面我们介绍了指针在C++语言中三种常见的使用方式：寻址，数组对象的指针运算，函数参数的传递。其他的滥用可能会带来安全风险。

我们来看C++跟指针相对应的引用。

引用类型允许我们通过不同的名称访问同一个变量。引用在定义时必须初始化，并且一旦初始化后就不能再改变引用的对象。

    int i = 1;
    int &b = i;
    b = 2;
    cout << "i:" << i << endl; // 输出i: 2

我们可以看到引用在这里起到了指针一样的寻址作用，但不支持直接对指针进行的运算。这带来了安全性。

总结一下，指针的寻址是一个高效率的行为，但指针运算在强大的同时也是危险的，早期的程序员是默认能力强大并且自律的群体，但随之程序员行列的倍数级别的扩充，新进人员的能力不足以支撑这种默认，必须给予限制。

C++在保留C语言指针的高效的同时，引入了引用这个概念，支持大多数情况下的类似指针的寻址能力，但同时提供了安全性。

C/C++甚至是后来的其他的编程语言，从对数据的操控上来讲，几乎所有的性能优化都来自于对指针的有效使用，所以关注代码的性能，必然需要关注指针或者类似指针的东西。

就像强大的手术刀一样，作为程序员，我们在使用编程语言提供的工具时，必须要对自己的行为保持一定的约束，需要清楚知晓每一个工具能实现的功能，也需要注意这种工具的另一面：可能的负面影响，然后规避这些不好的方面。

今天先聊到此，明天继续探索C++世界。