五、C++11新特性: 指针空值–nullptr及nullptr_t


五、C++ 11 指针空值—nullptr

5.1、引入nullptr的意义:

在C++程序开发中,为了提高代码的健壮性,一般会在定义指针的同时会完成初始化操作(避免出现野指针),在指针指向尚未明确的情况下,都会给指针初始化为空指针。在C++98/03标准中,将一个指针初始化为空指针的方式有两种:

char *my_ptr = 0;
char *my_ptr = NULL;

在底层源码中 NULL 这个宏是这样定义的:

#ifndef NULL
#ifdef __cplusplus
#define NULL 0
#else
#define NULL ((void *)0)
#endif
#endif

可以看出,NULL可能被定义为字面常量0,或者是定义为无类型指针(void*)0
原因: 由于 C++ 中, void *类型无法隐式转换为其他类型的指针,此时使用 0 代替 ((void *)0),用于解决空指针的问题。这个 0(0x0000 0000)表示的就是虚拟地址空间中的 0 地址,这块地址是只读的。但是无论采用什么样的定义方式,我们在使用空值的指针时,都不可避免地会遇到一些麻烦;

如下代码:

#include <iostream>
using namespace std;

void fun(char *c)
{
    cout << "void func(char *c)" << endl;
}

void fun(int i)
{
    cout << "void func(int i)" << endl;
}

int main()
{
    // 想要调用重载函数 void func(char *p)
    func(NULL);  //注:如果使用gcc编译,NULL转化为内部标识 __null,该语句会编译失败 
    
    // 想要调用重载函数 void func(int i)
    func(0);    
    
	func((char*)0);
    return 0;

}

输出:

void func(int i)
void func(int i)
void func(char *c)

虽然调用func(NULL); 最终链接到的还是void func(int p) 和预期是不一样的;
原因: C++ 中将NULL定义为字面常量 0,并不能保证在所有场景下都能很好的工作,比如,函数重载时,NULL 和 0 无法区分;

在C++11新标准中,出于兼容性的考虑,字面常量0的二义性并没有被消除;但是新标准为二义性给出了新的答案,就是使用 nullptr;在C++11 新标准中, nullptr是一个所谓“指针空值类型”的常量;指针空值类型被命名为 nullptr_t

可以在支持 nullptr的头文件(csddef)中找到如下定义:

typedef decltype(nullptr) nullptr_t;

使用 nullptr_t的时候必须#include(#include有些头文件也会间接#include,比如),而 nullptr则不用。

大概就是由于 nullptr是关键字,而 nullptr_t是通过 decltype推导而来的缘故。
对上述程序进行修改:

#include <iostream>
using namespace std;

void fun(char *c)
{
    cout << "void func(char *c)" << endl;
}

void fun(int i)
{
    cout << "void func(int i)" << endl;
}

int main()
{
    //调用重载函数 void func(char *p)
    func(nullptr);   
    
    //调用重载函数 void func(int i)
    func(0);    
    return 0;

}

结果:

void func(char *c)
void func(int i)

可以看出,nullptr 无法隐式转换为整形,但是可以隐式匹配指针类型。在 C++11 标准下,相比NULL和 0,使用 nullptr初始化空指针可以令我们编写的程序更加健壮。

5.2、nullptr和nullptr_t

C++11标准不仅定义了指针空值常量nullptr,也定义了其指针空值类型nullptr_t,也就表示了指针空值类型并非仅有nullptr一个实例。通常情况下,也可以通过nullptr_t来声明一个指针空值类型的变量(即使看起来用途不大)。

除去nullptrnullptr_t以外,C++中还存在各种内置类型。C++11标准严格规定了数据间的关系。常见的规则简单地列在了下面:

①、所有定义为nullptr_t类型的数据都是等价的,行为也是完全一致。

②、nullptr_t类型数据可以隐式转换成任意一个指针类型。

③、nullptr_t类型数据不能转换为非指针类型,即使使用reinterpret_cast<nullptr_t>()的方式也是不可以的。

④、 nullptr_t类型数据不适用于算术运算表达式。

⑤、nullptr_t类型数据可以用于关系运算表达式,但仅能与nullptr_t类型数据或者指针类型数据进行比较,当且仅当关系运算符为==、<=、>=等时返回true。

5.3、关于nullptr规则的一些讨论

①、在C++11标准中,nullptr类型数据所占用的内存空间大小跟void*相同的,即:

sizeof(nullptr_t) == sizeof(void*)

注:nullptr是否是(void *)0的一个别名?

不是,尽管两者看起来很相似,都可以被转换为任何类型的指针,但两者在语法层面有着不同的内涵。nullptr是一个编译时期的常量,它的名字是一个编译时期的关键字,能够为编译器所识别。而(void*)0只是一个强制转换表达式,其返回的也是一个 void *指针类型。最为重要的是,在C++语言中,nullptr到任何指针的转换是隐式的,而 (void*)0则必须经过类型转换后才能使用。

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