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C++和标准库速成(八)——指针、动态数组、const、constexpr和consteval

news 来源：原创 2025/8/10 7:28:35

1. 指针和动态数组

动态内存允许所创建的程序具有在编译期大小可变的数据，大多数复杂程序都会以某种方式使用动态内存。

1.1 栈和自由存储区

C++程序中的内存分为两部分——栈和自由存储区。将栈可视化的一种方式就是将其看作一幅纸牌，当前顶部的牌代表程序的当前作用域，通常是正在执行的函数。当前函数中声明的所有变量将占用顶部栈帧的内存。如果当前函数foo()调用了另一个函数bar()，一张新牌就会被放在牌堆上面，这样bar()就会拥有自己的栈帧供其运行。任何从foo()传递给bar()的参数都会从foo()栈帧复制到bar()栈帧。
栈帧很好，因为它为每个函数提供了独立的内存空间。如果在foo()栈帧中声明了一个变量，那么除非专门要求，否则调用bar()函数不会更改该变量。此外，foo()函数执行完毕时，栈帧就会消失，该函数中声明的所有变量都不会再占用内存。在栈上分配内存的变量不需要由程序员释放内存，这个过程是自动完成的。
自由存储区是与当前函数或栈帧完全独立的内存区域。如果想在函数调用结束之后仍然保存其中声明的变量，可以将变量放到自由存储区中。自由存储区的结构不如栈复杂，可以将它当作一堆位。程序可在任何时候向其中添加新的位或修改已有的位。必须确保释放在自由存储区上分配的任何内存，这个过程不会自动完成，除非使用了智能指针。
警告：这里介绍指针是因为你将会遇到它们，尤其是在遗留代码中。但是在新代码中，仅在不涉及所有权的情况下，才允许使用此类原始/裸指针。

1.2 使用指针

可以通过显式分配内存的方式将任何东西放到自由存储区中。例如，要将一个整数放在自由存储区中，需要为其分配内存，但是首先需要声明一个指针：
int* myIntegerPointer;
int类型后面的*表示，所声明的变量引用/指向某个整数内存。可将指针看作指向动态分配自由存储区中内存的一个箭头，它还没有指向任何内容，因为你还没有把它指派给任何内容，它是一个未初始化的变量。在任何时候都应避免使用未初始化的变量，尤其是未初始化的指针，因为它们会指向内存中的某个随机位置。使用这种指针很可能使程序崩溃。这就是总是应同时声明和初始化指针的原因。如果不希望立即分配内存，可以把它们初始化为空指针nullptr。
int* myIntegerPointer { nullptr };
空指针是一个特殊的默认值，有效的指针都不含该值，在布尔表达式中使用时会被转换成false。

if ( !myIntegerPointer ) {/* myIntegerPointer is a null pointer. */
}

使用new操作符分配内存：
myIntegerPointer = new int;
在此情况下，指针指向一个整数值的地址。为访问这个值，需要对指针解引用。可将解引用看作沿着指针箭头寻找自由存储区中实际的值。为给自由存储区中新分配的整数赋值，可采用如下代码：
*myIntegerPointer = 8;
注意：这并非将myIntegerPointer的值设置为8，在此并没有改变指针，而是改变了指针所指的内存。如果真要重新设置指针的值，它将指向内存地址8，这可能是一个随机的无用内存单元，最终会导致程序崩溃。
使用完动态分配的内存后，需要使用delete操作符释放内存。为防止在释放指针所指的内存后再使用指针，建议将指针设置为nullptr。

delete myIntegerPointer;
myIntegerPointer = nullptr;

警告：在解引用之前指针必须有效。对null或未初始化的指针解引用会导致未定义的行为。程序可能崩溃，也可能继续运行，却给出奇怪的结果。
指针并非总是指向自由存储区内存，可声明一个指向栈中变量甚至指向其他指针的指针。为让指针指向某个变量，需要使用取址运算符&。

int i { 8 };
int* myIntegerPointer { &i }; // points to the variable with the value 8.

C++使用特殊语法处理指向结构体或类的指针。从技术上讲，如果指针指向某个结构体或类，可以首先用*对指针解引用，然后使用普通的.语法访问其中的字段，如下面的代码所示，在此假定存在一个名为getEmployee()的函数，它返回一个指向Employee实例的指针。

Employee* anEmployee { getEmployee() };
std::cout << (*anEmployee).salary << "\n";

此语法有一点混乱。->运算符允许同时对指针解引用并访问字段。下面的代码与前面的代码等效，但阅读起来更方便。

Employee* anEmployee { getEmployee() };
std::cout << anEmployee->salary << "\n";

逻辑短路可与指针一起使用，以免使用无效指针，如下所示。
bool isValidSalary { ( anEmployee && anEmployee->salary > 0 ) };
或者稍微详细一点：
bool isValidSalary { ( anEmployee != nullptr && anEmployee->salary > 0 ) };
仅当anEmployee有效时，才对其进行解引用以获取salary。如果它是一个空指针，则逻辑运算短路，不再解引用anEmployee指针。

1.3 动态分配的数组

自由存储区也可以用于动态分配数组。使用new[]操作符可给数组分配内存：

int arraySize { 8 };
int* myVariableSizedArray { new int[arraySize] };

这条语句分配足够的内存，用于存储arraySize个整数。下图展示了执行这条语句后栈和自由存储区的情况。可以看到指针变量仍在栈中，当动态创建的数组在自由存储区中。
在这里插入图片描述
现在已经分配了内存，可将myVarialbeSizedArray当作基于栈的普通数组使用。
myVariableSizedArray[3] = 2;
使用完这个数组后，应该将其从自由存储区中删除，这样其他变量就可以使用这块内存。在C++中，可使用delete[]操作符完成这一任务。

delete[] myVariableSizedArray;
myVariableSizedArray = nullptr;

delete后的方括号表明所删除的是一个数组！
注意：避免使用C中的malloc()和free()，而使用new和delete，或者使用new[]和delete[]。
警告：在C++中，每次调用new时，都必须相应地调用delete；每次调用new[]时，都必须相应地调用delete[]，以避免内存泄漏。如果未调用delete或delete[]，或调用不匹配，会导致内存泄漏。

1.4 空指针常量

在C++11之前，常量NULL用于表示空指针。NULL只是简单地定义为常量0，这会导致一些问题。分析下面的例子：

void func(int i) {std::cout << "func(int)" << "\n";
}int main() {func(NULL);
}

这段代码定义了一个func()函数，它有一个整型参数。main()函数通过参数NULL调用func()，NULL被当作一个空指针常量。但是，NULL不是指针，而等价于整数0，所以实际调用的是func(int)。这可能不是预期的行为，因此，有些编译器会给出警告。
可引入真正的空指针常量nullptr来解决这个问题。下面的代码使用了真正的空指针，并且导致了编译错误，因为我们没有重载参数为指针的func()版本。
func(nullptr);

2. const

在C++中有很多方法使用const关键字。所有用法都是相关的，但存在微妙的差别。基本上，const是constant的缩写，它表示某些内容保持不变。编译器通过将任何试图将其更改的行为标记为错误，用来保证此要求。此外，启用优化后，编译器可以利用此知识生成更好的代码。

2.1 const修饰类型

如果已经认为关键字const与常量有一定关系，就正确地揭示了它的一种用法。在C语言中，程序员经常使用预处理器的#define机制声明一个符号名称，其值在程序执行时不会变化，如版本号。在C++中，鼓励程序员使用const取代#define定义常量。使用const定义常量就像定义变量一样，只是编译器保证代码不会改变这个值。实例如下：

const int versionNumberMajor { 2 };
const int versionNumberMinor { 1 };
const std::string productName { "Super Hyper Net Modulator" };
const double PI { 3.141592653589793238462 };

可以将任何变量标记为const，包括全局变量和类中的数据成员。

2.2 const与指针

当变量通过指针包含一层或多层间接时，应用const将变得棘手。考虑以下代码：

int* ip { nullptr };
ip = new int[10];
ip[4] = 5;

假设你决定对ip使用const。暂时不要考虑这样做的用处，考虑它意味着什么。你要是阻止ip变量本身被更改，还是要阻止其指向的值被更改？也就是说，你要阻止第二行还是第三行？
为了防止指向的值被修改，可以用下面这种方式将const添加到ip的声明中。

const int* ip { nullptr };
ip = new int[10];
ip[4] = 5; // does not compile!

现在，你无法修改ip指向的值。一种替代的但在语义上等效的书写方式如下：

int const* ip { nullptr };
ip = new int[10];
ip[4] = 5; // does not compile!

将const放在int之前还是之后在功能上没有区别。
如果想将ip本身标记为const，而不是它指向的值，需要这样写：

int* const ip { nullptr };
ip = new int[10]; // does not compile!
ip[4] = 5; // error: dereferencing a null pointer.

现在，ip本身无法更改，编译器要求你在声明它时对其进行初始化，可以使用如先前代码中的nullptr或如下所示的新分配的内存。

int* const ip { new int[10] };
ip[4] = 5;

也可以像下面这样，将指针本身和指针所指的值都标记为const。
int const* const ip { nullptr };
这是另一种等效的写法：
const int* const ip { nullptr };
尽管此语法可能看起来令人困惑，但实际上存在一个简单的规则：const关键字作用于其直接左侧的内容。再次考虑这一行：
int const* const ip { nullptr };
从左到右，第一个const直接位于单词int的右侧，因此它适用于ip指向的int，指定你不能更改IP指向的值。第二个const直接位于*的右侧，因此它适用于指向int的指针，该指针是ip变量，指定你不能更改ip指针本身。
该规则令人困惑的原因是一个例外。也就是，第一个const可以放在变量之前，如下所示。
const int* const ip { nullptr };
这种例外语法比其他语法更常遇到。
可以将这个规则扩展到任意级别的间接级别，正如以下示例：
const int* const* const* const ip { nullptr };
该声明中存在3个*表明这是一个三级指针，从右到左，第一个const直接位于*的右边，表明第三级指针ip是常量，不能修改它指向的地址；第二个const直接位于*的右边，表明第二级指针*ip是常量，不能修改它指向的地址；第三个const直接位于*的右边，表明第一级指针**ip是常量，不能修改它指向的地址；第四个const表明**ip解引用后的值为常量，不能修改。

2.3 使用const保护参数

在C++中，可将非const变量转换为const变量。为什么想这样做呢？这提供了一定程度的保护，防止其他代码修改变量。如果你调用同事编写的一个函数，并且想确保这个函数不会传递改变给它的实参，可以告诉同事让函数采用const参数。如果这个函数试图改变参数的值，就不会让编译通过。
在下面的代码中，调用mysteryFunction()时string自动转换为const string。如果编写mysteryFunction()的人员试图修改所传递字符串的值，代码将无法编译。有绕过这个限制的方法，但是需要有意识地这么做，C++只是阻止无意义地修改const变量。

void mysteryFunction(const std::string* someString) {*someString = "Test"; // will not compile.
}int main() {std::string myString { "The string" };mysteryFunction(&myString);
}

还可以在原始类型参数上使用const，以防止在函数体中意外修改它们。例如，以下函数具有const整型参数。在函数体中，无法修改整数param。如果尝试对其修改，则编译器将生成错误。

void func(const int param) {/* not allowed to change param... */
}

2.4 const方法(建议）

const关键字的第二个用途是将类方法标记为const，以防止它们修改类的数据成员。可以修改前面介绍的AirlineTicket类，以将所有只读方法标记为const。如果任何const方法尝试修改AirlineTicket数据成员之一，则编译器将提示错误。

export class AirlineTicket {
public:double calculatePriceInDollars() const;std::string getPassengerName() const;void setPassengerName(std::string name);int getNumberOfMiles() const;void setNumberOfMiles(int miles);bool hasEliteSuperRewardsStatus() const;void setHasEliteSuperRewardsStatus(bool status);private:std::string m_passengerName { "Unknown Passenger" };int m_numberOfMiles { 0 };bool m_hasEliteSuperRewardsStatus { false };
};// all methods omitted...

注意：为了遵循const-correctness原则，建议将不改变对象的任何数据成员的成员函数声明为const。与非const成员函数也被称为赋值函数相对，这些成员函数也称为检查器。

3. constexpr

C++中一直有常量表达式的概念，即在编译器求值的表达式。在某些情况下，必须使用常量表达式。例如，定义数组时，数组的大小需要为常量表达式。由于此限制，以下代码在C++中无效。

const int getArraySize() {return 32;
}int main() {std::array<int, getArraySize()> myArray {}; // invalid in C++.
}

使用constexpr关键字，getArraySize()函数可以被重定义，允许在常量表达式中调用它。

constexpr int getArraySize() {return 32;
}int main() {std::array<int, getArraySize()> myArray {}; // ok.
}

你甚至可以这样做：
int myArray[getArraySize() + 1]; // ok.
将函数声明为constexpr对函数的功能施加了很多限制，因为编译器必须能够在编译期对函数求值。例如，允许constexpr函数调用其他constexpr函数，但不允许调用任何非constexpr函数。这样的函数不允许有任何副作用，也不能引发任何异常。
通过定义constexpr构造函数，可以创建用户自定义类型的常量表达式变量。与constexpr函数一样，constexpr类也有很多限制。下面的Rect类定义了constexpr构造函数，他还定义了执行一些计算的constexpr getArea()方法。

class Rect {
public:constexpr Rect(std::size_t width, std::size_t height) :m_width { width }, m_height { height } {}constexpr std::size_t getArea() const {return m_width * m_height;}
private:std::size_t m_width {}, m_height {};
}

使用这个类声明constexpr对象是非常容易的。

constexpr Rect r { 8, 2 };
std::array<int, r.getArea()> myArray {}; // ok.

4. consteval

上一节讨论的constexpr关键字指定函数在编译期执行，但不能保证一定在编译期执行。采用以下constexpr函数：

constexpr double inchToMm(double inch) {return inch * 25.4;
}

如果按以下方式调用，则会在需要时在编译期对函数求值。

constexpr double const_inch { 6.0 };
constexpr double mml { inchToMm(const_inch) }; // at compile time.

然而，如果按以下方式调用，函数将不会在编译期被求值，而是在运行时。

double dynamic_inch { 8.0 };
double mm2 { inchToMm(dynamic_inch) }; // at run time.

如果确实希望保证始终在编译期对函数进行求值，则需要使用C++20的consteval关键字将函数转换为所谓的立即函数。可以按照如下方式更改inchToMm()函数：

consteval double inchToMm(double inch) {return inch * 25.4;
}

参考

[比] 马克·格雷戈勒著程序喵大人惠惠墨梵译 C++20高级编程(第五版)

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