指針與函數(shù)

存儲(chǔ)和處理是程序設(shè)計(jì)的基本矛盾。存儲(chǔ)中也有處理，是基本處理，例如，機(jī)器指令中的操作碼，C語言內(nèi)置類型中的運(yùn)算符。隨著處理越來越復(fù)雜，程序設(shè)計(jì)的基本矛盾不斷向前發(fā)展，從而推動(dòng)了程序語言的發(fā)展。指針(在機(jī)器語言中是地址)是存儲(chǔ)和處理的“媒介”、“中介”，是語言的要素，它隨著處理越來越復(fù)雜也在同時(shí)向前發(fā)展。

1函數(shù)參數(shù)與指針

C語言程序是由函數(shù)構(gòu)成的，函數(shù)表示處理，實(shí)參表示存儲(chǔ)，函數(shù)的指針參量表示存儲(chǔ)和處理的中介，實(shí)參初始化形參，函數(shù)通過指針處理存儲(chǔ)中的數(shù)據(jù)。以表1為例。

在下面的函數(shù)原型中，形參pa的聲明是等價(jià)的，都表示指針，都是存儲(chǔ)與處理的中介：

int Sum(int *pa，int n);

int Sum(int pa[6]，int n);

int Sum(int pa[]，int n);

2模塊化設(shè)計(jì)與指針

一組存儲(chǔ)中的數(shù)據(jù)通過傳址在函數(shù)之間傳遞。如果這組數(shù)據(jù)是“只讀”的，那么如何保證它不被改寫？在模塊化程序設(shè)計(jì)中，程序按模塊編譯，如果在模塊單獨(dú)編譯階段就對(duì)“只讀”數(shù)據(jù)的安全性進(jìn)行控制，即保證“只讀”數(shù)據(jù)把地址傳給的是“只讀”函數(shù)，就會(huì)減少連接調(diào)試階段的工作負(fù)擔(dān)。const限定修飾符便是這種控制的工具。

const限定符既可以限定存儲(chǔ)中的“只讀”數(shù)據(jù)，也可以限定“只讀”函數(shù)。被const修飾的數(shù)據(jù)稱為const常量，它必須初始化；被const修飾的函數(shù)具有被const修飾的指針參量，這個(gè)指針稱為指向const常量的指針，表示函數(shù)對(duì)該指針指向的數(shù)據(jù)是“只讀”的。const常量的聲明格式為：

const 類型標(biāo)識(shí)符 變量標(biāo)識(shí)符=初始化數(shù)據(jù)；

或

類型標(biāo)識(shí)符 const 變量標(biāo)識(shí)符=初始化數(shù)據(jù);

指向const常量的指針，其聲明格式為：

const 類型標(biāo)識(shí)符 *指針變量標(biāo)識(shí)符；

或

類型標(biāo)識(shí)符 const *指針變量標(biāo)識(shí)符；

應(yīng)用舉例：

void Display(const int *pa，int n);//終端顯示?！爸蛔x”函數(shù)。

void Selection(int *pa，int n);

//選擇排序。非“只讀”函數(shù)。

const int a[5]= {1，3，2，5，4};

//const常量數(shù)組。

int b[5]= {1，3，2，5，4};

//非const常量數(shù)組。

Selection(a，5);//非法！

Display(a，5);//合法。

Selection(b，5);//合法。

Display(b，5);//合法。

指針是復(fù)合類型，它有兩個(gè)值，一個(gè)是指針自身的數(shù)據(jù)(無符號(hào)整型值)，表示地址，另一個(gè)是它指向的數(shù)據(jù)(指針基類型值)，是指針間接引用的對(duì)象。const修飾的部分不同，意義不同。

如果const修飾的是指針指向的數(shù)據(jù)，那么它是在修飾在修飾函數(shù)，表示以該指針為參量的函數(shù)對(duì)該指針指向的數(shù)據(jù)是“只讀”的，該指針就是指向const常量的指針。對(duì)這樣的指針，有下面幾點(diǎn)需要認(rèn)識(shí)：

① 數(shù)據(jù)無論是不是const常量型，都可以傳址給指向const常量的指針。例如上面的調(diào)用語句Display(b，5)，其中數(shù)組b并不是const常量型的。用實(shí)參和形參的關(guān)系來表示便是

const int *pa=b;

但是const常量型數(shù)據(jù)只能傳址給代表函數(shù)“只讀”性質(zhì)的指向const常量的指針?？梢园褞в兄赶騝onst常量指針參量的函數(shù)比作一個(gè)認(rèn)真辦事的人，什么樣的事情交給他，他都認(rèn)真處理，而一件需要認(rèn)真處理的事情一定要交給他。

② 因?yàn)橹赶騝onst常量的指針表示的是函數(shù)的“只讀”性質(zhì)，而不是指針本身的數(shù)據(jù)的只讀性質(zhì)，所以與const常量不同，這種指針不必初始化。例如：

const int *pa=b;

可以分解為

const int *pa;

pa=b;

而且對(duì)它本身的數(shù)據(jù)可以改變，例如：

const int *pa;

pa=b;//指向數(shù)組b

pa=a;//又指向數(shù)組a

③ 傳遞性。指向const常量的指針表示的是函數(shù)的“只讀”性質(zhì)，任何數(shù)據(jù)傳址給這樣的指針，不僅具有這種指針參量的函數(shù)對(duì)該數(shù)據(jù)是“只讀”的，而且該函數(shù)調(diào)用的其它函數(shù)對(duì)該數(shù)據(jù)也是“只讀”的，這就是說，指向const常量的指針只能傳值給同類指針。仿佛一個(gè)認(rèn)真辦事的人，什么事情交給他，他都認(rèn)真處理，不僅如此，他所尋求的合作伙伴，也一定是認(rèn)真辦事的人。例如：

void Display(const int*pa，int n);//輸出函數(shù)。

int Sum(const int* ps，int n)//求和函數(shù)。

{

Display(ps，n);// const int* pa=ps;

……

}

④ 引入const修飾符之后，任何函數(shù)，如果對(duì)某一指針參量指向的數(shù)據(jù)是“只讀”的，都必須把該指針參量限定為指向const常量的指針，表明該函數(shù)的“只讀”性質(zhì)，以保證const常量型數(shù)據(jù)通過傳址調(diào)用該函數(shù)，被編譯器檢錯(cuò)。

如果const修飾的是指針本身，那么它是在修飾數(shù)據(jù)，表示指針本身的值const常量型的，這樣的指針稱為const常量指針。與const常量型一樣，const常量指針必須初始化，而且其值不能改變。聲明格式為：

類型標(biāo)識(shí)符 *const指針標(biāo)識(shí)符=初始化數(shù)據(jù)；

例如：

const int a[5]= {1，3，2，5，4};//const常量數(shù)組。

int b[5]= {1，3，2，5，4};//非const常量數(shù)組。

int c[5]= {1，3，2，5，4};//非const常量數(shù)組。

int *const pc=b;//const常量指針必須初始化。

pc=c;//非法！const常量指針的值不能改變。

因?yàn)閏onst常量指針不是限定函數(shù)，對(duì)它指向的數(shù)據(jù)可以修改，所以不能把const常量型數(shù)據(jù)的地址賦給const常量指針。例如：

pc[0]=10;//合法。

int *const ps=a;//非法。

3運(yùn)算符函數(shù)與指針

3.1運(yùn)算符函數(shù)

運(yùn)算符處理的對(duì)象如果是語言內(nèi)置基本類型(整型、浮點(diǎn)型、字符型等)，它的意義是內(nèi)定的。如果是用戶定義的結(jié)構(gòu)，意義就是待定的。以結(jié)構(gòu)數(shù)組的查找Find為例：

struct Student//用戶結(jié)構(gòu)

{

long ID;double g;//ID表示學(xué)號(hào)，g表示成績(jī)。

};

typedef Student Type;//形式數(shù)據(jù)類型Type。

int Find(const Type *pa，int n，Type item)//查找。

{

for(int i=0;i

if(pa[i]==item)//待定。

return(i);

return(-1);

}

陰影部分中的關(guān)系運(yùn)算對(duì)象是結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)無法確定是比較學(xué)號(hào)還是比較成績(jī)。我們可以進(jìn)入函數(shù)體直接改造：

if(pa[i].g==item.g)

不過這是權(quán)宜之計(jì)。結(jié)構(gòu)各式各樣，數(shù)組的處理程序數(shù)不勝數(shù)，都一一改造嗎？這顯然不符合代碼的復(fù)用性要求。解決這個(gè)問題的方法是運(yùn)算符重載。

運(yùn)算符重載的思路是，首先把以內(nèi)置類型為處理對(duì)象的運(yùn)算符從觀念上看作函數(shù)，然后通過對(duì)該函數(shù)重載，擴(kuò)大運(yùn)算符的操作對(duì)象。這樣的函數(shù)稱為運(yùn)算符函數(shù)，運(yùn)算符函數(shù)名為operator @，@代表某一種運(yùn)算符。運(yùn)算符重載就是運(yùn)算符函數(shù)重載。

以比較運(yùn)算符“==”為例，首先把該運(yùn)算符從觀念上看作一個(gè)函數(shù)：

int operator==(int，int);

于是兩個(gè)整數(shù)的比較運(yùn)算表達(dá)式

x==y

被看作運(yùn)算符函數(shù)的調(diào)用

Operator== (x，y

然后反過來，重載運(yùn)算符函數(shù)operator==：

bool operator== (Student a，Student b)//重載運(yùn)算符函數(shù)的定義

{

return(a.g==b.g); //比較成績(jī)

}

重載之后，運(yùn)算符“==”的處理對(duì)象就增加了結(jié)構(gòu)Student。具體的執(zhí)行過程是，編譯器如果發(fā)現(xiàn)內(nèi)部無法解釋的運(yùn)算符處理，就會(huì)去尋找重載的運(yùn)算符函數(shù)，找到之后，調(diào)用這個(gè)函數(shù)。例如，函數(shù)Find中的表達(dá)式

pa[i]==item

被編譯器替換成

operator==(pa[i]，item)

運(yùn)算符重載是函數(shù)的一種調(diào)用形式。對(duì)用戶自定義類型重載的運(yùn)算符運(yùn)算，可以等價(jià)地表示為運(yùn)算符函數(shù)的調(diào)用，但是內(nèi)部基本類型的運(yùn)算符運(yùn)算是內(nèi)定的，不能實(shí)際的替換成運(yùn)算符函數(shù)的調(diào)用形式，例如，不能把表達(dá)式5==6替換為operator==(5，6)。

3.2引用

運(yùn)算符重載函數(shù)的參量不能全部是語言內(nèi)置基本類型，至少要有一個(gè)是用戶定義類型，以免和內(nèi)置基本類型的運(yùn)算符沖突。舉例說明，如果我們想把雙浮點(diǎn)型擴(kuò)展為求余運(yùn)算%的對(duì)象，那么下面的運(yùn)算符重載是不行的：

double operator%(double a，double b)//非法！參量缺少用戶類型

{

return((long)a%(long)b);

}

因?yàn)檫@樣的運(yùn)算符函數(shù)與浮點(diǎn)型基本運(yùn)算沖突，使編譯器失去了檢錯(cuò)能力。

一個(gè)可行的方法是，首先創(chuàng)建一個(gè)用戶結(jié)構(gòu)類型表示雙浮點(diǎn)型：

struct DOUBLE//創(chuàng)建一個(gè)用戶結(jié)構(gòu)類型表示雙浮點(diǎn)型

{

double f;

};

然后運(yùn)算符重載如下：

double operator%(DOUBLE A，double b)//參量A是用戶類型

{

return((long)A.f%(long)b);

}

應(yīng)用舉例：

DOUBLE x={13.1};

double y=4.5;

cout<<(x%y);//結(jié)果是1

可是，新的問題出現(xiàn)了。運(yùn)算符函數(shù)是值調(diào)用，值調(diào)用的實(shí)質(zhì)是參數(shù)復(fù)制，即實(shí)參復(fù)制給形參，而運(yùn)算符函數(shù)的參數(shù)主要是結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)可以很大，參數(shù)復(fù)制既占空間，又費(fèi)時(shí)間，加之，運(yùn)算符的使用頻率高，綜合起來考慮，為運(yùn)算符函數(shù)的值調(diào)用而需要付出的時(shí)空代價(jià)是令人難以承受的。解決這個(gè)問題的方法自然想到地址調(diào)用，因?yàn)椴徽搮?shù)多大，其地址需要的單元只是2個(gè)字節(jié)或4個(gè)字節(jié)(因系統(tǒng)而定)，效率有了保證?？墒堑刂氛{(diào)用的參量都是指針，而指針是語言內(nèi)置類型，在上一節(jié)最后我們已經(jīng)指出，運(yùn)算符函數(shù)的參量至少要有一個(gè)是用戶類型，因此下面的運(yùn)算符重載是非法的。

bool operator== (const Student*a，const Student*b)//非法！

{

return(a->g==b->g);//比較成績(jī)

}

我們可以做如下改進(jìn)，使某一個(gè)參量不是內(nèi)置類型：

bool operator== (Student a，const Student*b)

{

return(a.g==b->g);//比較成績(jī)

}

于是有：

if(pa[i]==item)// if(operator==(pa[i]，iem))

return(i);

但是，表達(dá)式“pa[i]==item”把運(yùn)算符的簡(jiǎn)潔形式“pa[i]==item”破壞了，而且第1個(gè)參量仍然是值傳遞。

運(yùn)算符重載給我們提出了一個(gè)難題：運(yùn)算符函數(shù)既要具備地址調(diào)用的效率，又要保留值調(diào)用的簡(jiǎn)潔自然的形式。解決這個(gè)難題的方法就是引用型。引用的聲明格式為：

類型標(biāo)識(shí)符 引用=被引用的變量；

舉例說明：

int x=5;

int y=x;//定義一個(gè)引用，引用必須初始化

稱y是x的引用，或x是被y引用的變量。

引用的實(shí)質(zhì)是指針。在內(nèi)部，引用是指針，而且它必須初始化，取得被引用變量的地址，初始化值不能改變。語句int y=x在內(nèi)部相當(dāng)于int* y=x。

在外部，對(duì)用戶來說，聲明之后的引用名稱不再表示指針，而是表示指針指向的變量，相當(dāng)于前面有一個(gè)隱藏的運(yùn)算符“*”。例如：

y=6;//內(nèi)部相當(dāng)于*y=6;

因此，人們從形式上把引用y看作是被引用變量x的別名或同義詞，也就是說y就是x。如圖1所示。

在內(nèi)部，引用相當(dāng)于const常量指針。在外部，引用與const常量指針不同，對(duì)它本身既不能取址也不能取值，因?yàn)樗潜灰玫淖兞康膭e名，例如，y表示的是x的地址，而不是y指針的地址；y的值是x的值，而不是y指針的值即x的地址。

可以用下面一個(gè)簡(jiǎn)單方法來驗(yàn)證“引用的實(shí)質(zhì)是指針”。我們知道，一個(gè)函數(shù)的自動(dòng)局部變量地址不能是函數(shù)返回值，因?yàn)楹瘮?shù)調(diào)用之后，其自動(dòng)局部變量的生命周期結(jié)束，空間被撤消，返回它的地址是沒有意義的。例如：

int* Func2(void)

{

int x=5;

return(x);//int*temp=x;錯(cuò)誤！不能返回自動(dòng)局部變量地址

}

編譯器錯(cuò)誤提示為：returning address of local variable or temporary(返回值是一個(gè)局部變量或臨時(shí)變量的地址)。當(dāng)我們返回一個(gè)自變量的引用時(shí)，編譯器的錯(cuò)誤提示是相同的：

int Func2(void)

{

int x=5;

return(x); //int temp=x; 錯(cuò)誤！不能返回自動(dòng)局部變量地址

}

把運(yùn)算符函數(shù)的參量設(shè)為引用型，問題就得到了解決：

bool operator== (const Student a，const Student b)

{

return(a.g==b.g); //比較成績(jī)

}

typedef Student Type;

int Find(const Type *pa，int n，Type item)//查找。

{

for(int i=0;i

if(pa[i]==item)//if(operator==(pa[i]， item))

return(i);

return(-1);

}

引用型參量a和b的實(shí)質(zhì)是指針，相當(dāng)于const常量指針，而運(yùn)算符函數(shù)operator==是“只讀”的，它的指針參量應(yīng)該是指向const常量的指針，所以a和b的實(shí)質(zhì)是指向const常量的const常量指針，而它們的名稱是const常量型引用。

3.3基本類型運(yùn)算符中的引用

地址是處理和數(shù)據(jù)之間的“媒介”、“中介”，它是程序語言的要素，一開始就包含在機(jī)器指令這個(gè)程序語言的細(xì)胞中，例如，機(jī)器指令的操作數(shù)一般是數(shù)據(jù)的地址。進(jìn)入到C語言，地址發(fā)展為指針，它就應(yīng)該包含在基本類型的運(yùn)算符表達(dá)式中。以下面的賦值表達(dá)式為例：

(x=y)=z

執(zhí)行過程是，y的值給x，z的值給x，結(jié)果是x和z的值相等。

從概念上用復(fù)合運(yùn)算符函數(shù)表示為：

operator=(operator=(x，y)，z)

這不僅要求運(yùn)算符函數(shù)operator=的第1個(gè)參量是引用，而且返回值也是第1個(gè)參量的引用。為了理解，我們以用戶定義的結(jié)構(gòu)Student為例，重載賦值運(yùn)算符：

Student operator= (Student a，const Student b)

{

a.ID=b.ID;

a.g=b.g;

return(a);//Student _temp=a;

}

由此說明，引用是指針發(fā)展的一種較高級(jí)的形式。運(yùn)算符重載是引用產(chǎn)生的必要性，而基本數(shù)據(jù)類型運(yùn)算符包含著它產(chǎn)生的可能性。

有人可能要問，在基本類型的賦值表達(dá)式中，操作數(shù)可以是字面值常量，例如：

(x=3)=4

那么既然形參是引用，而且引用的實(shí)質(zhì)是指針，那么實(shí)參就必須傳址，可是字面值常量3和4是不能尋址的。問題是能夠這樣解決的：如果實(shí)參是字面值常量，系統(tǒng)就開辟一個(gè)臨時(shí)的const常量型空間來存儲(chǔ)實(shí)參，然后將const常量型空間的地址傳遞為形參[1]。

4通用算法與指針

C++標(biāo)準(zhǔn)模板庫STL的主要組件是容器類、通用算法和迭代器。容器類和通用算法在更高級(jí)上分別代表著存儲(chǔ)和處理，迭代器是它們的中介，迭代器是指針的更高級(jí)形式，是一種smart pointers。

“STL的中心思想在于：將數(shù)據(jù)容器(containers)和算法(algorithms)分開，彼此對(duì)立設(shè)計(jì)，最后再以一帖膠著劑將它們撮合在一起。容器和算法的泛型化，從技術(shù)角度來看并不困難，C++的class templates和function templates可分別達(dá)成目標(biāo)。但是如何設(shè)計(jì)出兩者之間的良好膠著劑，才是大難題”。[2]

有關(guān)具體內(nèi)容將在后期引入C++后進(jìn)一步討論。

5小結(jié)

存儲(chǔ)和處理是程序設(shè)計(jì)的基本矛盾，處理的不斷復(fù)雜，推動(dòng)了這個(gè)矛盾的不斷發(fā)展，進(jìn)而也推動(dòng)了程序語言的不斷發(fā)展。地址、指針、指向const常量的指針、引用和迭代器是處理和存儲(chǔ)的“媒介”在程序語言發(fā)展中的一系列進(jìn)化。

參考文獻(xiàn)

[1] 王立柱.C/C++與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(第3版上)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社，2008. 215.

[2] 侯捷.STL源碼剖析[M]. 武昌: 華中科技大學(xué)出版社， 2002. 79.