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当华美的叶片落尽,生命的脉络才历历可见。 -- 聂鲁达

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[转]C++指针探讨

 1.  数据指针
     数据指针分为两种:常规数据指针和成员数据指针
     
    1.1 常规数据指针
     这个不用说明了,和C语言一样,定义、赋值是很简单明了的。常见的有:int*, double* 等等。
     如:
     int value = 123;
     
int * pn = &value;
   
     
    1.2 成员数据指针
     有如下的结构:
     struct MyStruct
     {
       
int key;
       
int value;
     };
   
     现在有一个结构对象:
     MyStruct me;
     MyStruct* pMe = &me;
   
     我们需要 value 成员的地址,我们可以:
     int * pValue = &me.value;
     //
     int * pValue = &pMe->value;
   
     当然了,这个指针仍然是属于第一种范筹----常规数据指针。
     
     好了,我们现在需要一种指针,它指向MyStruct中的任一数据成员,那么它应该是这样的子:
     int MyStruct::* pMV = &MyStruct::value;
     
//
     int MyStruct::* pMK = &MyStruct::key;
   
     这种指针的用途是用于取得结构成员在结构内的地址。我们可以通过该指针来访问成员数据:
     int value = pMe->*pMV; // 取得pMe的value成员数据。
     int key = me.*pMK; // 取得me的key成员数据。
   
     那么,在什么场合下会使用到成员数据指针呢?
     确实,成员指针本来就不是一种很常用的指针。不过,在某些时候还是很有用处的。我们先来看看下面的一个函数:
  int sum(MyStruct* objs, int MyStruct::* pm, int count)
  {
      
int result = 0;
      
for(int i = 0; i < count; ++i)
          result 
+= objs[i].*pm;
      
return result;
  }
     
     这个函数的功能是什么,你能看明白吗?它的功能就是,给定count个MyStruct结构的指针,计算出给定成员数据的总和。有点拗口对吧?看看下面的程序,你也许就明白了:
     
     MyStruct me[10=
     {
      {
1,2},{3,4},{5,6},{7,8},{9,10},{11,12},{13,14},{15,16},{17,18},{19,20}
     };
     
     
int sum_value = sum(me, &MyStruct::value, 10);
     
//计算10个MyStruct结构的value成员的总和: sum_value 值 为 110     (2+4+6+8++20)
     
     
int sum_key = sum(me, &MyStruct::key, 10);
     
//计算10个MyStruct结构的key成员的总和:   sum_key 值 为 100       (1+3+5+7++19)
   
     
     也许,你觉得用常规指针也可以做到,而且更易懂。Ok,没问题:
     int sum(MyStruct* objs, int count)
     {
      
int result = 0;
      
for(int i = 0; i < count; ++i)
       result 
+= objs[i].value;
      
return result;
     }

     你是想这么做吗?但这么做,你只能计算value,如果要算key的话,你要多写一个函数。有多少个成员需要计算的话,你就要写多少个函数,多麻烦啊。
在C/C++中,数据指针是最直接,也最常用的,因此,理解起来也比较容易。而函数指针,作为运行时动态调用(比如回调函数 CallBack Function)是一种常见的,而且是很好用的手段。

  我们先简单的说一下函数指针。(这一部份没什么价值,纯是为了引出下一节的内容)
   
 2 常规函数指针

        void(*fp)();

  fp 是一个典型的函数指针,用于指向无参数,无返回值的函数。

        void(*fp2)(int);

  fp2 也是一个函数指针,用于指向有一个整型参数,无返回值的函数。
  当然,有经验人士一般都会建议使用typedef来定义函数指针的类型,如:

        typedef void(* FP)();
        FP fp3; 
// 和上面的fp一样的定义。

  函数指针之所以让初学者畏惧,最主要的原因是它的括号太多了;某些用途的函数指针,往往会让人陷在括号堆中出不来,这里就不举例了,因为不是本文讨论的范围;typedef 方法可以有效的减少括号的数量,以及理清层次,所以受到推荐。本文暂时只考虑简单的函数指针,因此暂不用到typedef。

  假如有如下两个函数:

  void f1()
  
{
      std::cout 
<< "call f " << std::endl;
  }

  
  
void f2(int a)
  
{
      std::cout 
<< "call f2( " << a << " )" << std::endl;
  }

  现在需要通过函数指针来调用,我们需要给指针指定函数:

  fp = &f1; // 也可以用:fp = f1;
  fp2= &f2; // 也可以用:fp2= f2;
  void (*fp3)() = &f1; // 也可以用:void (*fp3)() = f1;  
  
//调用时如下:
  fp(); // 或 (*fp)();
  fp2(1); // 或 (*fp2)(1);
  fp3();  // 或 (*fp3)();

  对于此两种调用方法,效果完全一样,我推荐用前一种。后一种不仅仅是多打了键盘,而且也损失了一些灵活性。这里暂且不说它。
  
  C++强调类型安全。也就是说,不同类型的变量是不能直接赋值的,否则轻则警告,重则报错。这是一个很有用的特性,常常能帮我们找到问题。因此,有识之士认为,C++中的任何一外警告都不能忽视。甚至有人提出,编译的时候不能出现任何警告信息,也就是说,警告应该当作错误一样处理。
  
  比如,我们把f1赋值给fp2,那么C++编译器(vc7.1)就会报错:

  fp2 = &f1; // error C2440: “=” : 无法从“void (__cdecl *)(void)”转换为“void (__cdecl *)(int)”
  fp1 = &f1; // OK

  这样,编译器可以帮我们找出编码上的错误,节省了我们的排错时间。
  
  考虑一下C++标准模板库的sort函数:

  // 快速排序函数
  template<typename RandomAccessIterator, typename BinaryPredicate>
     
void sort(
        RandomAccessIterator _First, 
// 需排序数据的第一个元素位置
        RandomAccessIterator _Last,  // 需排序数据的最后一个元素位置(不参与排序)
        BinaryPredicate _Comp     // 排序使用的比较算法(可以是函数指针、函数对象等)
     );

  比如,我们有一个整型数组:

  int n[5= {3,2,1,8,9};

  要对它进行升序排序,我们需定义一个比较函数:

  bool less(int a, int b)
  
{
      
return a < b; 
  }

  然后用:

  sort(n, n+5, less);

  要是想对它进行降序排序,我们只要换一个比较函数就可以了。C/C++的标准模板已经提供了less和great函数,因此我们可以直接用下面的语句来比较:  

  sort(n, n+5, great);


  这样,不需要改变sort函数的定义,就可以按任意方法进行排序,是不是很灵活?  
  这种用法以C++的标准模板库(STL)中非常流行。另外,操作系统中也经常使用回调(CallBack)函数,实际上,所谓回调函数,本质就是函数指针。

  看起来很简单吧,这是最普通的C语言指针的用法。本来这是一个很美妙的事情,但是当C++来临时,世界就开始变了样。
  假如,用来进行sort的比较函数是某个类的成员,那又如何呢?
C语言的指针相当的灵活方便,但也相当容易出错。许多C语言初学者,甚至C语言老鸟都很容易栽倒在C语言的指针下。但不可否认的是,指针在C语言中的位置极其重要,也许可以偏激一点的来说:没有指针的C程序不是真正的C程序。
  然而C++的指针却常常给我一种束手束脚的感觉。C++比C语言有更严格的静态类型,更加强调类型安全,强调编译时检查。因此,对于C语言中最容易错用的指针,更是不能放过:C++的指针被分成数据指针,数据成员指针,函数指针,成员函数指针,而且不能随便相互转换。而且这些指针的声明格式都不一样:

数据指针 T *
成员数据指针 T::*
函数指针 R (*)(...)
成员函数指针 R (T::*)(...)
还有一个更重要的区别是,指针所占的空间也不一样了。即使在32位系统中,所占的空间也有可能是4字节、8字节、12字节甚至16字节,这个依据平台及编译器,有很大的变化。
  尽管C++中仍然有万能指针void*,但它却属于被批斗的对象,而且再也不能“万能”了。它不能转换成成员指针。

  这样一来,C++的指针就变得很尴尬:我们需要一种指针能够指向同一类型的数据,不管这个数据是普通数据,还是成员数据;我们更需要一种指针能够指向同一类型的函数,不管这个函数是静态函数,还是成员函数。但是没有,至少从现在的C++标准中,还没有看到。
 
沐枫网志 C++指针探讨(三)成员函数指针

  自从有了类,我们开始按照 数据+操作 的方式来组织数据结构;自从有了模板,我们又开始把 数据 和 算法 分离,以便重用,实在够折腾人的。但不管怎么折腾,现在大多数函数都不再单身,都嫁给了类,进了围城。可是我们仍然需要能够自由调用这些成员函数。
  考虑一下windows下的定时调用。SetTimer函数的原型是这样的:

UINT_PTR SetTimer(
    HWND hWnd,
    UINT_PTR nIDEvent,
    UINT uElapse,
    TIMERPROC lpTimerFunc
);

其中,参数就不解释了,这个函数估计大多数windows开发人员都知道。lpTimerFunc是个会被定时调用的函数指针。假如我们不通过WM_TIMER消息来触发定时器,而是通过lpTimerFunc来定时工作,那么我们就只能使用普通函数或静态函数,而无论如何都不能使用成员函数,哪怕通过静态函数转调也不行。

  再考虑一下线程的创建:

uintptr_t _beginthread( 
   
void*start_address )( void * ),
   unsigned stack_size,
   
void *arglist 
);

start_address仍然只支持普通函数。不过这回好了,它允许回调函数一个void*参数,它将会arglist作为参数来调用start_address。于是,聪明的C++程序员,就利用arglist传递this指针,从而利用静态函数成功的调用到了成员函数了:

class mythread
{
  
public:
    
static void doit(void* pThis)
    
{
    ((mythread*)pThis)
->doit();
    }

    
void doit(){}
}
;

main()
{
  
  mythread
* pmt = new mythread;
  _beginthread(
&mythread::doit, 0, (void*)pmt);
  
}

  但是显然,C++程序员肯定不会因此而满足。这里头有许多被C++批判的不安定因素。它使用了C++中被认为不安全的类型转换,不安全的void*指针,等等等等。但这是系统为C语言留下的调用接口,这也就认了。那么假如,我们就在C++程序中如何来调用成员函数指针呢?
  如下例,我们打算对vector中的所有类调用其指定的成员函数:

#include <vector>
#include 
<algorithm>
#include 
<functional>
#include 
<iostream>
using namespace std;

class A
{
    
int value;
public:
    A(
int v){value = v;}
    
void doit(){ cout << value << endl;};
    
static void call_doit(A& rThis)
    
{
        rThis.doit();
    }

}
;


int main()
{
    vector
<A> va;
    va.push_back(A(
1));
    va.push_back(A(
2));
    va.push_back(A(
3));
    va.push_back(A(
4));
    
//方法1:
    
//for_each(va.begin(), va.end(), &A::doit); //error
    
//方法2:
    for_each(va.begin(), va.end(), &A::call_doit);
    
//方法3:
    for_each(va.begin(), va.end(), mem_fun_ref<void, A>(&A::doit));

    system(
"Pause");

    
return 0;
}

  方法1,编译不能通过。for_each只允许具有一个参数的函数指针或函数对象,哪怕A::doit默认有一个this指针参数也不行。不是for_each没考虑到这一点,而是根本做不到!
  方法2,显然是受到了beginthread的启发,使用一个静态函数来转调用,哈哈成功了。但是不爽!这不是C++。
  方法3,呼,好不容易啊,终于用mem_fun_ref包装成功了成员函数指针。
  似乎方法3不错,又是类型安全的,又可以通用--慢着,首先,它很丑,哪有调用普通C函数指针那么漂亮啊(见方法2),用了一大串包装,又是尖括号又是圆括号,还少不了&号!其次,它只能包装不超过一个参数的函数!尽管它在for_each中够用了,但是你要是想用在超过一个参数的场合,那只有一句话:不可能的任务。

  是的,在标准C++中,这是不可能的任务。但事情并不总是悲观的,至少有许多第三方库提供了超越mem_fun的包装。如boost::function等等。但是它也有限制:它所支持的参数仍然是有限的,只有十多个,尽管够你用的了;同样,它也是丑陋的,永远不要想它能够简单的用&来搞定。

  也许,以失去美丽的代价,来换取质量上的保证,这也是C++对于函数指针的一种无奈吧……

  期待C++0x版本。它通过可变模板参数,能够让mem_fun的参数达到无限个……

--------
   BTW: C++Builder扩展了一个关键字 closure ,允许成员函数指针如同普通函数指针一样使用。也许C++0x能考虑一下……

函数对象不是函数指针。但是,在程序代码中,它的调用方式与函数指针一样,后面加个括号就可以了。
  这是入门级的随笔,说的是函数对象的定义,使用,以及与函数指针,成员函数指针的关系。 
  
沐枫小筑
  函数对象实质上是一个实现了operator()--括号操作符--的类。
  例如:
class Add
{
public:
  int operator()(int a, int b)
  {
    
return a + b;
  }
};

Add add; // 定义函数对象
cout << add(3,2); // 5

  函数指针版本就是:
int AddFunc(int a, int b)
{
  
return a + b;
}
typedef 
int (*Add) (int a, int b);

Add add = &AddFunc;
cout 
<< add(3,2); // 5

  呵呵,除了定义方式不一样,使用方式可是一样的。都是:
cout << add(3,2);

  既然函数对象与函数指针在使用方式上没什么区别,那为什么要用函数对象呢?很简单,函数对象可以携带附加数据,而指针就不行了。
  下面就举个使用附加数据的例子:
class less
{
public:
    less(
int num):n(num){}
    
bool operator()(int value)
    {
        
return value < n;
    }
private:
    
int n;
};


  使用的时候:
    less isLess(10);
    cout 
<< isLess(9<< " " << isLess(12); // 输出 1 0

  这个例子好象太儿戏了,换一个:
const int SIZE = 5;
int array[SIZE] = { 50309720};
// 找到小于数组array中小于10的第一个数的位置
int * pa = std::find_if(array, array + SIZE, less(10)); // pa 指向 9 的位置
// 找到小于数组array中小于40的第一个数的位置
int * pb = std::find_if(array, array + SIZE, less(40)); // pb 指向 30 的位置

  这里可以看出函数对象的方便了吧?可以把附加数据保存在函数对象中,是函数对象的优势所在。
  它的弱势也很明显,它虽然用起来象函数指针,但毕竟不是真正的函数指针。在使用函数指针的场合中,它就无能为力了。例如,你不能将函数对象传给qsort函数!因为它只接受函数指针。

  要想让一个函数既能接受函数指针,也能接受函数对象,最方便的方法就是用模板。如:
template<typename FUNC>
int count_n(int* array, int size, FUNC func)
{
    
int count = 0;
    
for(int i = 0; i < size; ++i)
        
if(func(array[i]))
            count 
++;
    
return count;
}

  这个函数可以统计数组中符合条件的数据个数,如:
const int SIZE = 5;
int array[SIZE] = { 50309720};
cout 
<< count_n(array, SIZE, less(10)); // 2

  用函数指针也没有问题:
bool less10(int v)
{
    
return v < 10;
}
cout 
<< count_n(array, SIZE, less10); // 2

  另外,函数对象还有一个函数指针无法匹敌的用法:可以用来封装类成员函数指针!
  因为函数对象可以携带附加数据,而成员函数指针缺少一个类实体(类实例)指针来调用,因此,可以把类实体指针给函数对象保存起来,就可以用于调用对应类实体成员函数了。

template<typename O>
class memfun
{
public:
    memfun(
void(O::*f)(const char*), O* o): pFunc(f), pObj(o){}
    
void operator()(const char* name)
    {
        (pObj
->*pFunc)(name);
    }
private:
    
void(O::*pFunc)(const char*);
    O
* pObj;
};

class A
{
public:
    
void doIt(const char* name)
    { cout 
<< "Hello " << name << "!";}
};


    A a;
    memfun
<A> call(&A::doIt, &a); // 保存 a::doIt指针以便调用
    call("Kitty"); // 输出 Hello Kitty!

  大功告成了,终于可以方便保存成员函数指针,以备调用了。
  
  不过,现实是残酷的。函数对象虽然能够保有存成员函数指针和调用信息,以备象函数指针一样被调用,但是,它的能力有限,一个函数对象定义,最多只能实现一个指定参数数目的成员函数指针。
  标准库的mem_fun就是这样的一个函数对象,但是它只能支持0个和1个参数这两种成员函数指针。如 int A::func()或void A::func(int)、int A::func(double)等等,要想再多一个参数如:int A::func(int, double),不好意思,不支持。想要的话,只有我们自已写了。
  而且,就算是我们自已写,能写多少个?5个?10个?还是100个(这也太恐怖了)?
好在boost库提供了boost::function类,它默认支持10个参数,最多能支持50个函数参数(多了,一般来说这够用了。但它的实现就是很恐怖的:用模板部份特化及宏定义,弄了几十个模板参数,偏特化(编译期)了几十个函数对象。

----
  C++0x已经被接受的一个课题,就是可变模板参数列表。用了这个技术,就不需要偏特化无数个函数对象了,只要一个函数对象模板就可以解决问题了。期待吧。

最后感谢沐枫小筑!!

posted on 2007-08-08 23:58 isabc 阅读(375) 评论(2)  编辑 收藏 引用 所属分类: C++基础

评论

# re: [转]C++指针探讨 2007-08-09 20:27 Lee7

仔细读完后没有完全看懂,在对c++指针有一定认识后要回头认真拜读这篇转载的文章。  回复  更多评论   

# re: [转]C++指针探讨 2009-01-28 03:10 http://www.ok2002.com/

受益匪浅@_@  回复  更多评论   


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