C++ 第一课-万物皆地址

August 29, 2023 8 - C++, 8.1 - C++理论基础本文总阅读量次

作者：朕小猫与GPT4

怎么理解C++万物皆地址

在 C++ 程序中，几乎所有元素（包括变量、对象、函数等）都可以通过它们的内存地址来引用或操作。这一点归根结底是因为 C++ 是一种底层的编程语言，它允许直接访问内存和底层硬件资源。这种能力带来了极高的灵活性和控制能力，但同时也要求程序员对程序的内存使用有深入的理解。下面是如何通过内存地址来引用或操作元素的几个方面：

变量和对象的内存地址：
在 C++ 中，每个变量或对象都占据内存中的一个或多个连续位置。你可以使用 & 操作符获得一个变量的内存地址，这个地址可以赋给一个指针变量。通过指针，你可以读取或修改存储在该地址的数据。这对于数组和自定义数据结构尤其有用，因为可以通过指针算术进行高效的遍历和访问。
函数的地址：
C++ 允许获取函数的地址，并将其赋给函数指针。这使得程序可以在运行时决定调用哪个函数，提高了代码的灵活性和可重用性。函数指针广泛应用于回调机制、事件驱动编程和接口设计中。
引用：
C++ 的引用机制实际上是一种特殊的语法糖，它在内部使用地址来实现。引用允许你创建一个变量的别名，通过别名可以直接访问和修改原始变量，而无需显式解引用。这样不仅代码更加简洁，而且避免了指针可能带来的错误。
动态内存分配：
C++ 通过 new 和 delete 操作符提供了动态内存分配的能力。使用 new 分配的内存位于堆区，它会返回指向分配内存的指针。通过这个指针，程序可以在运行时动态地分配、访问和释放内存。

通过上述机制，C++ 程序可以精确地控制内存的使用方式，从而优化程序性能和资源管理。然而，这也意呀着程序员必须对指针、内存地址以及内存管理有充分的理解，才能有效地利用这些特性编写高效、安全的代码。

编写教程时，目标是清晰、简洁且具有实用性。以下是一个关于“如何在 C++ 中使用指针和地址”教程的示例内容。这段内容旨在介绍初学者到 C++ 的指针和地址概念，帮助他们理解和运用“万物皆地址”的原则。

C++ 指针和地址入门

在 C++ 中，理解指针和地址是掌握语言的基石。本教程将引导你通过简单的步骤来理解和使用指针和地址。

1. 理解地址

在 C++ 中，每个变量都存储在内存的一个特定位置，这个位置可以通过地址来访问。你可以使用 & 操作符来获取变量的地址。

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int var = 10;
    cout << "变量的地址: " << &var << endl;
    return 0;
}

这段代码会输出变量 var 的内存地址。

2. 使用指针

指针是存储另一个变量地址的变量。在 C++ 中，你可以使用 * 来声明指针。

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int var = 10;
    int *ptr = &var;
    cout << "ptr 指向的地址: " << ptr << endl;
    cout << "ptr 指向的地址上的值: " << *ptr << endl;
    return 0;
}

在这个例子中，ptr 是一个指向 var 地址的指针。通过 *ptr，我们可以访问这个地址上的值。

3. 指针的使用场景

指针在 C++ 中的应用非常广泛，包括：

动态内存管理：使用 new 和 delete 操作符分配和释放内存。
函数参数传递：通过传递指针或引用来修改函数外的变量。
构建复杂数据结构：如链表、树等。

4. 练习：使用指针交换两个变量的值

#include <iostream>
using namespace std;

void swap(int *x, int *y) {
    int temp = *x;
    *x = *y;
    *y = temp;
}

int main() {
    int a = 5, b = 10;
    swap(&a, &b);
    cout << "a: " << a << ", b: " << b << endl;
    return 0;
}

这个练习演示了如何使用指针来交换两个变量的值。

C++ 通过地址修改值

在 C++ 中，通过地址修改值是指针操作的一个基本用途。指针是一种特殊的变量，其值为另一个变量的内存地址。
通过指针，你可以直接访问和修改它指向的内存位置上存储的数据。
这一过程涉及几个关键步骤：获取变量的地址、使用指针指向该地址、通过指针修改该地址上的值。
下面通过一个简单的示例来说明这一过程：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int value = 10;    // 定义一个变量value并初始化为10
    int *ptr = &value; // 定义一个指针ptr，将其初始化为value的地址

    cout << "Original value: " << value << endl; // 显示原始的value值

    *ptr = 20; // 通过指针ptr修改value的值

    cout << "Modified value: " << value << endl; // 显示修改后的value值

    return 0;
}

在上述代码中：

我们首先定义了一个类型为 int 的变量 value 并初始化为 10。
然后，我们定义了一个类型为 int* 的指针 ptr 并将其初始化为 value 的地址（&value）。
通过 cout 输出语句，我们可以看到 value 的原始值。
接着，我们通过指针 ptr 来修改 value 的值。这里的 *ptr = 20; 表示将 ptr 指向的内存位置（即 value 的位置）上的数据修改为 20。*ptr 是解引用操作符的应用，它获取指针指向的内存地址上存储的值。
最后，再次通过 cout 输出 value 的值，可以看到它已经被修改为 20。

函数传参的内存地址

在 C++ 中，理解函数传参的内存地址涉及到两个主要概念：按值传递（Pass by Value）和按引用传递（Pass by Reference）。理解这些概念有助于深入理解 C++ 如何在函数调用中处理参数的内存地址。

按值传递（Pass by Value）

当函数参数是按值传递时，函数接收的是实参的一个副本。这意味着函数内部对参数所做的任何修改都不会影响到原始数据。在内存层面，这个过程涉及到将原始数据的值复制到新的内存地址中。这个新的地址是函数参数在函数调用栈上的局部地址。

优点

保护了原始数据，避免了意外修改。
对于基本数据类型，这种方式简单且效率较高。

缺点

对于大型结构或类实例，复制可能导致性能下降。
无法在函数外部反映函数内部对数据的修改。

按引用传递（Pass by Reference）

按引用传递意味着函数接收的是实参的引用（或者说是内存地址）。这样，函数内部对参数的任何修改都会直接影响到原始数据。在内存层面，这避免了数据的复制，函数参数直接使用了实参的地址。

优点

可以直接修改原始数据。
避免了大型数据结构的复制，提高了效率。
可以通过返回多个结果值（通过修改传入的引用或指针参数）。

缺点

如果不希望修改原始数据，需要谨慎操作。
使用不当可能导致错误或数据损坏。

举个例子

假设我们有一个简单的函数，目的是修改一个整数的值。

// 按值传递
void addTenByValue(int number) {
    number += 10;
    // 这里修改的是number的副本，外部的原始变量不受影响
}

// 按引用传递
void addTenByReference(int &number) {
    number += 10;
    // 这里直接修改的是传入变量的值，外部的原始变量也会被修改
}

在这个例子中，addTenByValue 函数无法修改外部变量的值，因为它仅操作了参数的副本。而 addTenByReference 函数则直接操作了实参的内存地址，因此它能够修改外部变量的值。

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