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指针与引用

指针与引用

作者: 朱建涛 | 来源:发表于2021-03-24 22:34 被阅读0次

    引用和指针非常相似,它们都用来让一个变量提供对另一个变量的访问。

    引用

    需要从类型和传递两个角度分别看待引用。

    • 从类型角度,类型可分为值类型和引用类型,一般而言,我们说到引用,强调的都是类型。
    • 从传递角度,有值传递、址传递和引用传递,传递是在函数调用时才会提到的概念,用于表明实参与形参的关系。

    什么是引用

    引用的实现主要有两种。

    1. C++ 的实现,引用其实一种便于使用指针的语法糖,是某块内存的别名,对已存在的变量可以声明别名,这种别名称为引用变量。
    2. Python 中的实现,本质是底层结构中包含指向实际内容的指针。

    参数传递

    参数传递有值传递、址传递和引用传递。

    值传递

    函数调用时,实参通过拷贝将自身内容传递给形参,形参实际上是实参值的一个拷贝,此时,针对函数中形参的任何操作,仅仅是针对实参的副本,不影响原始值的内容。

    址传递

    值传递中有一个特殊形式,如果传递参数的类型是指针,我们就会称之为址传递。

    引用传递

    实参地址在函数调用被传递给形参(即实参和形参拥有相同地址),则可以认为是引用传递。此时,针对函数中形参的操作会影响到实参。

    C++ 支持引用传递。

    Go 语言是值传递

    func fn(m map[int]int) {
        fmt.Printf("fc: %p\n", &m)
        m = make(map[int]int)
        fmt.Printf("fn:%v\n", m == nil)
    }
    
    func main() {
        var m map[int]int
        fmt.Printf("main: %p\n", &m)
        fn(m)
        fmt.Printf("main:%v\n", m == nil)
    }
    

    输出如下:

    main: 0xc000006028
    fc: 0xc000006038
    fn:false
    main:true
    

    通过打印信息可以看到,实参和形参地址不同,且对形参赋值不影响实参。因此,Go 语言没有引用传递。

    而址传递可以看做值传递中的一个特殊形式,因此可以说,Go 语言是值传递。

    Go 引用类型

    如果按照 C++ 中引用的实现机制,则 Go 语言没有引用变量,Go 程序中定义的每个变量都占用一个唯一的内存位置。创建两个共享同一内存位置的变量是不可能的。可以创建两个指向同一内存位置的变量,不过这与两个变量共享同一内存位置是不同的。

    如果按照 python 中引用的实现机制,即结构体中包含指针成员。对类型进行分类:

    • 值类型:基本数据类型 int、float、bool、string 以及数组和 struct。值类型变量直接存储值,内存通常在栈中分配。

    • 引用类型:指针、slice、map、chan、interface、function。引用类型变量存储的是一个地址,这个地址存储最终的值,内存通常在堆上分配,通过 GC 回收。引用类型都可以用 nil 进行赋值。

    slice、map 和 channel 的底层实现

    slice、map 和 channel 的实现机制是结构体中包含指针成员。它们都可以使用内置函数 make 进行初始化。

    map

    map 实际是指向 runtime.hmap 结构体的指针。

    当我们写如下代码时

    m := make(map[int]int)
    

    编译器会自动去调用 runtime.makemap

    func makemap(t *maptype, hint int64, h *hmap, bucket unsafe.Pointer) *hmap
    

    从 runtime.makemap 返回的值的类型是指向 runtime.hmap 结构体的指针。

    那么如果 map 是指针,那是不是应该这样表示 *map[key]value ?事实是编译器将类型从 *map[int]int 重命名为 map[int]int 。

    channel

    也是 runtime 类型的指针。

    slice

    slice 的结构包含三个成员,分别是切片的底层数组地址、切片长度和容量大小。

    type slice struct {
        array unsafe.Pointer
        len   int
        cap   int
    }
    

    指针

    什么是指针

    计算机内存可以看做一串单元格,每个单元格都有一个地址,是其所在的内存位置,每个单元格存储一个值。如果你知道某个单元格的内存地址,就可以访问该单元格并更新或读取里面的内容。而 CPU 所做的一切都是为获取和存储值到内存单元中。

    在代码中,通过变量就可以操作存储在内存中的值,变量只是一个由数字字母组成的、标识存储位置的假名,由编译器为变量分配唯一的内存地址。一个变量对应了一段内存空间,这段内存空间存储了该变量对应类型的值。

    指针变量的值是另一个变量的内存地址。通过指针,就可以更新或读取另一个变量的值,而不需要用到变量名。

    对于每一种类型,不管是自定义的还是 Go 语言内置的,都有相应的指针类型。例如内置类型 int,对应的指针类型是 *int。如果你自己声明了类型 User,对应的指针类型就是 *User。

    所有的指针类型有相同的特点。首先,它们以 * 符号开头;其次,占用相同的内存空间并且都表示一个地址,使用 4 个(32 位机器)或 8 个字节(64 位机器)长度表示一个地址。

    设计指针的目的是实现函数间值共享,即使该值不在函数自己栈帧里,也能对其进行读写操作。

    与其他变量相比,指针变量并没有特别之处,因为它们也是变量,有内存地址和值。

    底层原理

    《栈与指针》

    指针的声明和使用

    指针由 * 操作符和存储值的类型表示。

    *也用于指针变量的解引用,使得我们可以访问指针指向的值。

    var i int = 10          // 声明int类型变量i,初始值10
    var ptr *int = &i       // 声明指针变量ptr,初始值为i的地址。& 操作符用于获取变量的地址。
    fmt.Println(ptr, *ptr)  // *ptr对应指针指向的变量的值 0xc000018060 10 
    
    *ptr = 12               // 更新指针指向的变量的值,实际是指针变量解引用,将结果存储在 i 指向的内存位置
    fmt.Println(*ptr, i)    // 12 12
    

    *int类型的指针,指向的必须是 int 类型变量的地址,若指向其他类型变量地址,编译报错。

    str := "go"
    var ip *int
    ip = &str   // cannot use &str (type *string) as type *int in assignment
    

    空指针

    一个指针已声明而没有赋值时,称为空指针,值为 nil。任何类型的指针的零值都是 nil。

    var ip *int
    fmt.Println(ip)                     // nil
    fmt.Printf("ip 的值为:%x", ip)       // ip 的十六进制的值为:0
    

    指针相等判断

    指针之间也是可以进行相等判断的,只有当它们指向同一个变量或全部是 nil 时才相等。

    指针作为函数参数使用

    func a(p *int) {
        *p++
    }
    
    func main() {
        i := 10
        a(&i)
        fmt.Println(i)  // 打印11,a函数中的指针p指向main函数中的i的内存位置
    }
    

    new 函数创建指针

    内建函数 new 也是一种创建指针的方法。new(type)表示创建一个 type 类型的匿名变量,初始化为 type 类型的零值,并返回变量的指针,指针类型为 *type。new 适用于“值类型”,如 int、数组、结构体等。

    p := new(int)       // p, *int 类型, 指向匿名的 int 变量
    fmt.Println(*p)     // 0
    *p = 2              // 设置 int 匿名变量的值为 2
    fmt.Println(*p)     // 2
    

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