[ C++ Gossip ] 進階型態 : 指標 - 指標 與 記憶體位址

來源自 這裡 
Preface: 
在 變數 中曾經說過， 變數（Variable）提供一個有名稱的記憶體儲存空間，一個變數關係至一個資料型態、一個變數本身的值與一個變數的位址值. 變數資料型態決定了變數所分配到的記憶體大小；變數本身的值是指儲存於記憶體中的某個數值，而您可以透過變數名稱取得這個數值，這個數值又稱為 rvalue 或 read value；而變數的位址值則是指變數所分配到的記憶體之位置，變數本身又稱為 lvalue 或 location value. 

Pointer and Address: 
如果您想知道變數的記憶體位址為何，您可以使用 & 運算子， & 是「取址運算子」（Address-of operator），它可以取出變數的記憶體位址，例如: 

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1. #include   
2. using namespace std;   
3.   
4. int main() {   
5.     int var = 10;   
6.   
7.     cout << "變數var的值：" << var   
8.          << endl;   
9.     cout << "變數var的記憶體位址：" << &var   
10.          << endl;   
11.   
12.     return 0;   
13. }  

執行結果: 
 

這個程式宣告了一個 int 整數變數 var，var 指向的記憶體位址是 0xbfee21cc，這是記憶體位址的16進位表示法，從 0xbfee21cc 後的 4 個位元組都是 var 所配置到的記憶體空間，現在這個空間中儲存值為10. 直接存取變數即直接對所分配到的記憶體空間作存取，指標（Pointer）則提供了間接性，指標可指向特定的記憶體位址，而不直接操作變數或物件，宣告 一個指標，使用以下的語法: 

type *ptr;

其中 type 是指標的型態，每一個指標都有一個相對應的型態，用以指出所指向的資料或物件之型態有所不同，編譯器根據指標型態來確定特定記憶體位址上的資 料如何解釋，以及如何進行指標運算（Pointer arithmetic），以下是幾個指標宣告的範例: 

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1. int *iptr;  
2. float *fptr;  
3. char *cptr;  

您可以使用 & 運算子取出變數的位址值並指定給指標，例如: 

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1. #include   
2. using namespace std;   
3.   
4. int main() {   
5.     int var = 10;   
6.     int *ptr = &var ;   
7.   
8.     cout << "變數var的位址：" << &var   
9.          << endl;   
10.     cout << "指標ptr指向的位址：" << ptr   
11.          << endl;   
12.   
13.     return 0;   
14. }  

執行結果: 
 

如以上的程式結果所示，您使用 & 來取出變數 var 所指向的記憶體位址，然後將這個位址指定給指標 ptr，因此 ptr 所儲存的值就與 &var 所取出的值相同. 

指標擁有兩種操作特性，一是操作指標所儲存的位址，一是操作指標所指向位址之資料，或是操作指向的位址上之物件，您可以使用提取 （Dereference）運算子 * 來提取指標所指向位址的資料，例如: 

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1. #include   
2. using namespace std;   
3.   
4. int main() {   
5.     int var = 10;   
6.     int *ptr = &var;  
7.   
8.     cout << "指標ptr儲存的值：" << ptr  
9.          << endl;   
10.     cout << "取出ptr指向的記憶體位置之值：" << *ptr   
11.          << endl;  
12.   
13.     return 0;   
14. }  

執行結果: 
 

如果已經取得了記憶體位置，當將某個值指定給 *ptr 時，該記憶體位置的值也會跟著改變，相當於告訴程式，將值放到 ptr 所指向的記憶體位址，例如: 

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1. #include   
2. using namespace std;   
3.   
4. int main() {   
5.     int var = 10;   
6.     int *ptr = &var ;   
7.   
8.     cout << "var = " << var   
9.          << endl;   
10.     cout << "*ptr = " << *ptr   
11.          << endl;   
12.   
13.     *ptr = 20;   
14.   
15.     cout << "var = " << var   
16.          << endl;  
17.     cout << "*ptr = " << *ptr   
18.          << endl;  
19.   
20.     return 0;   
21. }  

執行結果: 
 

如以上所表示的，當指標 ptr 所儲存的值與變數 var 所指向的記憶體位置相同時，當您對 *ptr 進行指定的動作時，就會將值直接存入該記憶體位置，因此再 透過變數 var 所取出的值也就改變了. 

如果宣告指標但不指定初值，則指標指向的位址是未知的，存取未知位址的記憶體內容是危險的，例如: 

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1. int *ptr;   
2. *ptr = 10;  

這個程式片段並未初始指標就指定值給 *ptr，所以會造成不可預知的結果（通常是記憶體區段錯誤），最好為指標設定初值，如果指標一開始不指向任何的物 件，則可設定初值為0，表示不指向任何物件，例如: 

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1. int *iptr = 0;  

在這邊必須注意一個指標宣告常犯的錯誤，在指標宣告時，可以靠在名稱旁邊，也可以靠在關鍵字旁邊，例如: 

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1. int *ptr1;   
2. int* ptr2;  

這兩個宣告方式都是可允許的，一般比較傾向用第一個，因為可以避免以下的錯誤: 

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1. int* ptr1, ptr2;  

這樣的宣告方式，初學者可能以為ptr2也是指標，但事實上並不是，以下的宣告ptr1與ptr2才都是指標: 

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1. int *ptr1, *ptr2;  

有時候，您只希望儲存記憶體的位址，然後將之與另一個記憶體位址作比較，這時並不需要關心型態的問題，您可以使用void*來宣告指標，例如: 

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1. void* ptr;  

由於void型態的指標沒有任何的型態資訊，所以只用來持有位址資訊，您不可以使用 * 運算子對 void 型態指標提取值，而必須使用 reinterpret_cast 作轉型動作至對應的型態，例 如: 

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1. #include   
2. using namespace std;   
3.   
4. int main() {   
5.     int var = 10;   
6.     void *vptr = &var ;   
7.   
8.     // 下面這句不可行，void型態指標不可取值   
9.     //cout << *vptr << endl;  
10.   
11.     // 轉型為int型態指標並指定給iptr   
12.     int *iptr = reinterpret_cast<int*>(vptr);  
13.     cout << *iptr << endl;   
14.   
15.     return 0;   
16. }  

執行結果: 
 

您也可以使用舊風格的轉型語法，如下所示: 

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1. int var = 10;   
2. void *vptr = &var ;   
3. // 轉型為int型態指標並指定給iptr   
4. int *iptr = (int*)(vptr);  

順便來看一下 const 宣告的變數，被 const 宣告的變數一但被指定值，就不能再改變變數的值，您也無法對該變數如下取值: 

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1. const int var = 10;  
2. var = 20; // error, assignment of read-only variable `var'   
3. int *ptr = &var; // error,  invalid conversion from `const int*' to `int*'   

用const宣告的變數，必須使用對應的const型態指標才可以: 

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1. const int var = 10;  
2. const int *vptr = &var;  

同樣的vptr所指向的記憶體中的值一但指定，就不能再改變記憶體中的值，您不能如下試圖改變所指向記憶體中的資料: 

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1. *vptr = 20; // error, assignment of read-only location   

另外還有指標常數，也就是您一旦指定給指標值，就不能指定新的記憶體位址值給它，例如: 

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1. int x = 10;  
2. int y = 20;  
3. int* const vptr = &x;  
4. vptr = &x;  // error,  assignment of read-only variable `vptr'  

在某些情況下，您會想要改變唯讀區域的值，這時您可以使用 const_cast 改變指標的型態，例如: 

view plaincopy to clipboardprint?

1. #include   
2. using namespace std;   
3.   
4. void foo(const int*);   
5.   
6. int main() {   
7.     int var = 10;   
8.   
9.     cout << "var = " << var << endl;   
10.   
11.     foo(&var);   
12.   
13.     cout << "var = " << var << endl;   
14.   
15.     return 0;   
16. }  
17.   
18. void foo(const int* p) {  
19.     int* v = const_cast<int*> (p);   
20.     *v = 20;   
21. }  

執行結果: 
 

由於函式（Function）定義中傳入的指標使用const加上唯讀性，所以您不能對傳入的指標進行以下的動作: 

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1. *p = 20; // error, assignment of read-only location  

但在某種原因下，您真的必須改變指標指向的位址處之資料，則您可以使用 const_cast 改變指標的唯讀性: 

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1. int* v = const_cast<int*> (p);   
2. *v = 20;   

您也可以使用舊風格的轉型語法，例如: 

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1. void foo(const int* p) {  
2.     int* v = (int*) (p);   
3.     *v = 20;   
4. }  

Supplement: 
* [C++] 標準類型轉換：static_cast, dynamic_cast, reinterpre...t, and const_cast. static_cast