第7章 C++世界的奇人異事
在武俠小說中，初入武林的毛頭小子總是要遇到幾位奇人，發生幾件異事，經過高人的指點，經歷一番磨煉，方能武功精進，從新手成長為高手。在C++世界，同樣有諸多的奇人異事。在C++世界中游歷學習的我們，是否也同樣期望著遇到幾位奇人，經歷幾件異事，而後從一個C++新手成長為C++高手呢？
武林中的奇人異事可遇而不可求，但是C++世界中的奇人異事卻可以為你一一引見。
C++世界中什麼最難？指針！C++世界中什麼最強？指針！
指針作為C++世界中一種特殊的訪問數據的方式，因為其使用方式的靈活而使得它在C++世界中顯得威力無比；然而，也正是因為它的靈活，使得它成為初學者最難掌握的C++技能。它就像一只吊睛白額“大老虎”，雖然威力無比但是難以掌握控制，用好了可以方便高效地解決問題，但如果使用不當卻又很可能給程序帶來災難性的後果。今天就來打倒指針這只“紙老虎”，徹底掌握控制指針。
從本質上講，指針也是一種數據，只不過這種數據有點特殊而已。我們通常所見的數據就是各種數值數據文字數據等，而指針所表示的是內存地址數據。既然是數據，那麼自然就涉及到了數據的運算。像普通數據一樣，指針也可以參與部分運算，包括算術運算、關系運算和賦值運算，而我們最常用的就是指針的算術加減運算。
如果指針的值是某個內存位置的地址值，那麼我們就說指針指向這個內存位置。而指針的加減運算，實際上是讓指針的指向發生偏轉，指向另外的內存位置。通過這種指針的偏轉，可以靈活地訪問到該指針起始位置附近的內存。如果這種偏移是在某個范圍內連續發生的話，則可以通過指針訪問到某一連續內存區域的數據。例如，在3.6節中介紹過數組，數組名實際上就是數組數據所在內存區域的首地址，表示數組在內存中的起始位置。可以通過把首地址賦值給指針，然後對該指針進行加減運算，使指針發生偏轉指向數組中的其他元素，從而遍歷整個數組。例如：
int nArray[3] = { 1, 2, 3 }; // 定義一個數組
int* pIndex = nArray; // 將數組的起始地址賦值給指針pIndex
cout<<"指針指向的地址是："<<pIndex<<endl; // 輸出指針指向的地址
cout<<"指針所指向的數據的值是："<<*pIndex<<endl; // 輸出這個位置上的數據
pIndex++; // 對指針進行加運算，使其指向數組中的下一個值
cout<<"指針指向的地址是："<<pIndex<<endl; // 輸出指針指向的地址
cout<<"指針所指向的數據的值是："<<*pIndex<<endl; // 輸出數據
這段程序執行後，可以得到這樣的輸出：
指針指向的地址是：0016FA38
指針所指向的數據的值是：1
指針指向的地址是：0016FA3C
指針所指向的數據的值是：2
從輸出結果中可以看到，pIndex指針初始指向的地址是0016FA38，也就是nArray這個數組的首地址。換句話說，也就是pIndex指向的是數組中的第一個數據，所以輸出“*pIndex”的值是1。而在對指針進行加1運算後，指針指向的地址變為0016FA3C，它向地址增大的方向偏移了4個字節，指向了數組中的第二個數據，輸出“*pIndex”的值自然也就變成了2。
這裡大家肯定會奇怪，對指針進行的是加1的運算，怎麼指針指向的地址卻增加了4個單位？這是因為指針的加減運算跟它所指向的數據的真正數據類型相關，指針加1或者減1，會使指針指向的地址增加或者減少一個對應的數據類型的字節數。比如以上代碼中的pIndex指針，它可以指向的是int類型的數據，所以它的加1運算就使地址增加了4個字節，也就是一個int類型數的字節數。同樣的道理，對於可以指向char類型數據的char*類型指針，加1會使指針偏移1個字節；而對於可以指向double類型數據的double*類型指針，加2會使指針偏移16（8*2）個字節。指針偏轉流程如圖7-1所示。
圖7-1 指針運算引起的指針10:43:4010:43:41偏轉
除了指針的加減算術運算之外，常用到的還有指針的關系運算。指針的關系運算通常用“==”或“!=”來判斷兩個相同類型的指針是否相等，也就是判斷它們是否指向同一地址上的同一數據，以此作為條件或循環結構中的條件判斷語句。例如：
int nArray[3] = { 1, 2, 3 }; // 定義一個數組
int* pIndex = nArray; // 將數組的起始地址賦值給指針pIndex
int* pEnd = nArray + 3; // 計算數組的結束地址並賦值給pEnd
while( pIndex != pEnd ) // 在while的條件語句中判斷兩個指針是否相等，
// 也就是判斷當前指針是否已經偏轉到結束地址
{
cout<<*pIndex<<endl; // 輸出當前指針指向的數據
// 對指針進行加1 運算，
// 使其偏移到下一個內存位置，指向數組中的下一個數據
++pIndex;
}
在以上這段代碼中，利用表示數組當前位置的指針pIndex跟表示結束位置的指針pEnd進行相等與否的比較，如果不相等，則意味著pIndex尚未偏移到數組的結束位置，循環可以繼續對pIndex進行加1運算，使其偏移至下一個位置指向數組中的下一個元素；如果相等，則意味著pIndex正好偏移到數組的結束位置，while循環已經遍歷了整個數組，循環可以結束。
另外，指針變量也常和nullptr關鍵字進行相等比較，來判斷指針是否已經被初識化而指向正確的內存位置，也就是判斷這個指針是否有效。雖然我們提倡在定義指針的同時就完成對它的初始化，可有時在定義指針的時候，並沒有合適的初始值可以賦給它，但如果讓它保持最開始的隨機值，又會產生不可預見的結果。在這種情況下，我們會在定義這個指針的同時將這個指針賦值為nullptr，表示這個指針還沒有被初始化，處於不可用的狀態。而等到合適的時候，再將真正有意義的值賦值給它來完成這個指針的初始化，這時指針的值將不再是nullptr，也就意味著這個指針處於可用的狀態。所以，將nullptr跟某個指針進行相等比較，是判斷這個指針是否可用的常用手段。下面是一個典型的例子：
int* pInt; // 定義一個指針，這時的指針是一個隨機值，指向隨機的一個內存地址
// 將指針賦值為nullptr，表示指針還沒有合適的值，處於不可用的狀態
pInt = nullptr;
//…
int nArray[10] = {0};
pInt = nArray; // 將數組首地址賦值給指針
if( nullptr != pInt ) // 判斷指針是否已經完成初始化處於可用狀態
{
// 指針可用，開始使用指針訪問它指向的數據
}
因為通過指針可以直接訪問它所指向的內存，所以對尚未初始化的指針的訪問，有可能帶帶來非常嚴重的後果。而將指針與nullptr進行相等比較，可以有效地避免指針的非法訪問。雖然在業務邏輯上這不是必須的，但這樣做可以讓我們的程序更加健壯，所以這也是一條非常好的編程經驗。
C++是一種強類型的語言，其中的變量都有自己的數據類型，保存著與之相應類型的數據。比如，一個int類型的變量可以保存數值1，而不能保存數值1.1，它需要一個與之相應的double類型的變量來保存。相應數據類型的變量保存相應的數據，本來相安無事過的好好的。但是，在C++世界中卻出現了一個異類，那就是void類型。從本質上講，void類型並不是一個真正的數據類型，我們並不能定義一個void類型的變量。void更多的是體現一種抽象，在程序中，void類型更多的是用於“修飾”和“限制”一個函數。例如，如果一個函數沒有返回值，則可用void作為這個函數的返回值類型，代替具體的返回值數據類型；如果一個函數沒有形式參數列表，也可用void作為其形式參數，表示這個函數不需要任何參數。
跟void類型對函數的“修飾”作用不同，void類型指針作為指向抽象數據的指針，它可以成為兩個具有特定類型的指針之間相互轉換的橋梁。眾所周知，在用一個指針對另一個指針進行賦值時，如果兩個指針的類型相同，那麼可以直接在這兩個指針之間進行賦值；如果兩個指針的類型不同，則必須使用強制類型轉換，把賦值操作符右邊的指針類型轉換為左邊的指針類型，然後才能進行賦值。例如：
int* pInt; // 指向整型數的指針 float* pFloat; // 指向浮點數的指針 pInt = pFloat; // 直接賦值會產生編譯錯誤 pInt = (int*)pFloat; // 強制類型轉換後進行賦值
但是，當使用void類型指針時，就沒有類型轉換的麻煩。void類型指針顯得八面玲珑，任何其他類型的指針都可以直接賦值給void類型指針，例如：
void* pVoid; // void類型指針 pVoid = pInt; // 任何其他類型的指針都可以直接賦值給void類型指針 pVoid = pFloat;
雖然任何類型的指針都可以直接賦值給void類型指針，但這並不意味著void類型指針也可以直接賦值給其他類型的指針。要完成這個賦值，必須經過強制類型轉換，讓“無類型”變成“有類型”。例如：
pInt = (int*)pVoid; // 通過強制類型轉換，將void類型指針轉換成int類型指針 pFloat = (float*)pVoid; // 通過強制類型轉換，將void類型指針轉換成float類型指針
雖然通過強制類型轉換，void類型指針可以在其他類型指針之間自由轉換，但是，這種轉換應當遵循一定的規則，void類型指針所轉換成的其他類型，必須與它所指向的數據的真實類型相符。比如把int類型指針賦值給void類型指針，那麼這個void類型指針指向的就是int類型數據，這時如果再把這個void類型指針強制轉換成double類型指針並通過它訪問它所指向的數據，那麼很可能得到錯誤的結果。因為void類型指針對它所指向的內存數據類型並沒有要求，所以它可以用來代表任何類型的指針，如果函數可以接受任何類型的指針，那麼應該將其參數聲明為void類型指針。例如內存復制函數：
void* memcpy(void* dest, const void* src, size_t len);
在這裡，任何類型的指針都可以作為參數傳入memcpy()函數中，這也真實地體現了內存操作函數的意義，因為它操作的對象僅僅是一片內存，而不論這片內存上的數據是什麼數據類型。如果memcpy()函數的參數類型不是void類型指針，而是char類型指針或者其他類型指針，那麼在使用其他類型的指針作為參數調用memcpy()函數時，就需要進行指針類型的轉換以適應它對參數類型的要求，糾纏於具體的數據類型，這樣的memcpy()函數明顯不是一個“純粹的、脫離低級趣味的”內存復制函數。
最佳實踐：11:06:42指針類型的轉換
雖然指針類型的轉換可能會帶來一些不可預料的麻煩，但在某些特殊情況下，例如，需要將某個指針轉換成函數參數所要求的指針類型，以達到調用這個函數的目的時，指針類型的轉換就成為一種必需。
在C++中，可以使用C風格的強制類型轉換進行指針類型的轉換。其形式非常簡單，只需要在指針前的小括號內指明新的指針類型，就可以將指針轉換成新的類型。例如：
int* pInt; // int*類型指針 float* pFloat = (float*)pInt; // 強制類型轉換成float*類型指針
在這裡，我們通過在int類型指針pInt之前加上“(float*)”而將其強制轉換成了一個float類型指針。雖然這種強制類型轉換的方式比較直接，但是卻顯得非常粗魯。因為它允許我們在任何類型之間進行轉換，而不管這種轉換是否合理。另外，這種方式在程序語句中很難識別，代碼閱讀者可能會忽略類型轉換的語句。
為了克服C風格類型轉換的這些缺點，C++引進了新的類型轉換操作符static_cast。在C風格類型轉換中，我們使用如下的方式進行類型轉換：
(類型說明符)表達式
現在，使用static_cast應該寫成這樣：
static_cast<類型說明符>(表達式)
其中，表達式是已有的舊數據類型的數據，而類型說明符就是要轉換成的新數據類型。在使用上，static_cast的用法與C風格的類型轉換的用法相似。例如，兩個int類型的變量相除時，為了讓結果是比較精確的小數形式，我們需要用類型轉換將其中一個變量轉換為double類型。如果用C風格的類型轉換，可以這樣寫：
int nVal1 = 2; int nVal2 = 3; double fRes = ((double)nVal1)/nVal2;
如果用static_cast進行類型轉換，則應該這樣寫：
double fRes = static_cast<double>(nVal1)/nVal2;
使用C++風格的類型轉換，不論是對代碼閱讀者還是對程序都很容易識別。我們應該在代碼中盡量避免進行類型轉換，但如果類型轉換無可避免，那麼使用C++風格的類型轉換在一定程度上既可增加代碼的可讀性，也是對類型轉換損失的一種補償。
