指標與記憶體位址


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。

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:

#include <iostream> 
using namespace std;

int main() {
int var = 10;

cout << "變數var的值:" << var
<< endl;
cout << "變數var的記憶體位址:" << &var
<< endl;

return 0;
}

執行結果:
變數var的值:10
變數var的記憶體位址:0x22ff74

這個程式中,您宣告了一個int整數變數var,var指向的記憶體位址是0x22ff74,這是記憶體位址的16進位表示法,從 0x22ff74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,要宣告 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:
int *iptr;
float *fptr;
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:

#include <iostream> 
using namespace std;

int main() {
int var = 10;
int *ptr = &var ;

cout << "變數var的位址:" << &var
<< endl;
cout << "指標ptr指向的位址:" << ptr
<< endl;

return 0;
}

執行結果:
變數var的位址:0x22ff74
指標ptr指向的位址:0x22ff74

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:

#include <iostream> 
using namespace std;

int main() {
int var = 10;
int *ptr = &var;

cout << "指標ptr儲存的值:" << ptr
<< endl;
cout << "取出ptr指向的記憶體位置之值:" << *ptr
<< endl;

return 0;
}

執行結果:
指標ptr儲存的值:0x22ff74
取出ptr指向的記憶體位置之值:10

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:

#include <iostream> 
using namespace std;

int main() {
int var = 10;
int *ptr = &var ;

cout << "var = " << var
<< endl;
cout << "*ptr = " << *ptr
<< endl;

*ptr = 20;

cout << "var = " << var
<< endl;
cout << "*ptr = " << *ptr
<< endl;

return 0;
}

執行結果:
var = 10
*ptr = 10
var = 20
*ptr = 20

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:
int *ptr;
*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:
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:
int *ptr1;
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:
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:
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:
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:

#include <iostream> 
using namespace std;

int main() {
int var = 10;
void *vptr = &var ;

// 下面這句不可行,void型態指標不可取值
//cout << *vptr << endl;

// 轉型為int型態指標並指定給iptr
int *iptr = reinterpret_cast<int*>(vptr);
cout << *iptr << endl;

return 0;
}

執行結果:
10

您也可以使用舊風格的轉型語法,如下所示:
int var = 10;
void *vptr = &var ;
// 轉型為int型態指標並指定給iptr
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:
const int var = 10;
var = 20; // error, assignment of read-only variable `var'
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:
const int var = 10;
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:
*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:
int x = 10;
int y = 20;
int* const vptr = &x;
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:

#include <iostream> 
using namespace std;

void foo(const int*);

int main() {
int var = 10;

cout << "var = " << var << endl;

foo(&var);

cout << "var = " << var << endl;

return 0;
}

void foo(const int* p) {
int* v = const_cast<int*> (p);
*v = 20;
}

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:
*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,
int* v = const_cast<int*> (p);
*v = 20;

執行結果:
var = 10
var = 20

您也可以使用舊風格的轉型語法,例如:
void foo(const int* p) {
    int* v = (int*) (p);
    *v = 20;
}

關於函式的定義與使用,在之後還會介紹。