上周Meeting C++2013結(jié)束后，我對C++思考了很多，有一些內(nèi)容和指針有關(guān)。在C++ 11中只對指針進行了小量的更新（引入了nullptr），不過過去幾年中，C++中指針的語義和用法卻發(fā)生了很多變化。

首先，我們從指針的原始意義開始，C++11中簡單如type* pt = nullptr; 這里的指針是C語言中的核心概念，由于C++沒有重新設(shè)計指針，據(jù)我所知C也沒用更新這部分語義。但是C規(guī)范中定義了指針，并給出了在C和C++中使用指 針的指導(dǎo)。事實上，指針是一個指向內(nèi)存中存儲某個變量的地址。如果你對指針進行解引用操作，就能訪問指針指向的變量。指針實際上是一個基礎(chǔ)變量，它不知道 它所指向的值是否有效，也不能感知其指向的值是否無效。在C語言中，一個指針指向0，說明其不指向任何值，因此也不具有有個有效的值。所有其他指針都應(yīng)該 指向內(nèi)存中有意義的地址。但實際上，有些指針沒有正確的初始化，或者干脆越出了應(yīng)有的范圍。

在C++11中，將指針正確初始化為0的方法是使用關(guān)鍵字nullptr。這讓計算機知道該指針當前為空。另外，還有一種常用的方式是將0定義為 NULL或者其他定義或聲明。C++11中使用nullptr統(tǒng)一了這種方式。C++中還引入了引用，它看起來像是變量的別名，其優(yōu)勢是使用引用的時候必 須先初始化，因此，在引用生命周期起始時需要指向一個有效地址。不過，引用也只是指針的解引用，所以，一旦其引用的變量作用范圍結(jié)束，其引用也無效了，使 用指針時，你可以將指針置為0，但是針對引用卻不能這么做。

但是在C++11和在C++11標準之前，一些事情發(fā)生了變化，指針是語言的核心概念，但是你在現(xiàn)代化的C++代碼和函數(shù)庫中卻很少看到它們。遠在 C++11之前，boost創(chuàng)建了一系列非常有用的智能指針類，針對指針進行了封裝，對其核心機制通過操作符重載。智能指針本身不是一個指針，而是一個棧 上的變量或?qū)ο蟪蓡T。智能指針使用了RAII來解決指針的一些問題，這并不是指針的職責(zé)。當在椎中分配內(nèi)存時，new返回了指向該部分內(nèi)存的地址，所以每 分配一塊動態(tài)內(nèi)存，就需要使用一個指針，相當于創(chuàng)建對象的一個操作句柄。但是指針僅僅是一個簡單的變量，不知道變量的擁有關(guān)系，也不能自動釋放堆上的內(nèi)存 空間。智能指針擔(dān)當了這一角色，擁有指針并在變量超出作用域時自動管理其堆上的值。在棧上的值意味著，一旦相應(yīng)的棧被銷毀，其管理的堆上的值會被自動釋 放，即使是在發(fā)生異常的情況下。

過去的一些年，C++出現(xiàn)了一些不同風(fēng)格的使用，從使用類的C及大量使用指針，到類似我想Widget和QT這樣面向?qū)ο蟮目蚣?。在過去5-10年 中的形成的一種新樣式被認為是現(xiàn)代C++，一種趨向盡力發(fā)掘語言本身擴展能力，并試圖找到不同特性針對不同場合的應(yīng)用。值得注意的是boost在這一趨勢 中起到了***風(fēng)范的C++框架。C++標準在設(shè)計其標準庫時也借鑒了這一點。與此同時，值語義變得流行起來，并且與move語義成為未來C++一個關(guān)鍵點。來自Tony van Eerds在Meeting C++的一份備忘幻燈片引起了我對指針的思考。它有兩列，一個代表引用語義，一個代表值語義，以及其朗朗上口的主題詞：

哦，不！使用指針 vs 哦，不要使用指針！

所以，在C++11或者后續(xù)的C++14，使用值語義的趨勢蓋過了使用指針。指針在取后臺還是工作著，不過在新的C++14中，new和 delete都將不能直接使用，new被抽象化為make_shared/make_unique。其內(nèi)部使用了new，但是返回一個智能指針。 shared_ptr 和 unique_ptr都表現(xiàn)為值語義類型。智能指針同樣在其作用域結(jié)束時使用delete釋放內(nèi)存。這讓我思考，C++中的指針是不是都可以填充不同的 “角色”，或者被替換掉。

繼承和虛擬函數(shù)

指針一個非常重要的用途是在繼承中使用指針來指向一系列擁有相同接口的類型值。我想用Shape例子來闡明這一點，這里有一個基類Shape，同時 其含有一個虛擬函數(shù)叫area的方法。同時，它還有幾個派生類叫Rectange，Cirecle和Triangle?，F(xiàn)在，有一個指針容器（比 如：std::vector<Shape*>）來容納指向不同形狀的對象指針，每個對象都有自己的計算面積方法。這是C++中最常用指針的方 式，尤其是在面向?qū)ο髸r?，F(xiàn)在，好消息是，這里同樣支持使用智能指針，當其使用這些智能指針時，內(nèi)部會進行訪問指針。Boost中甚至還有一個指針容器， 能在清空容器時自動釋放其中的智能指針元素。

現(xiàn)在考慮虛函數(shù)調(diào)用（這雖然不和指針有直接聯(lián)系），虛函數(shù)調(diào)用通常會有點點慢，同時也不容易編譯器針對其進行優(yōu)化。所以，如果其類型在運行時是可知 的，就可以使用靜態(tài)分發(fā)或者編譯器多態(tài)性來正確調(diào)用相應(yīng)的虛函數(shù)方法，而不是在運行時使用虛函數(shù)指針。作為一種模式被叫做CRTP，已經(jīng)實現(xiàn)了這一方式。 最近的研究顯示，這在gcc4.8中可以提高性能。有趣的是，通常情況下使用gcc4.9，優(yōu)化器可以針對動態(tài)分發(fā)進行更進一步的優(yōu)化。還是讓我們繼續(xù)回到指針。

不確定指針

有時候指針被用于有一系列可選值作為參數(shù)或者返回不確定的函數(shù)中，通常都默認為0，用戶可以選擇傳遞一個有效的指針給該函數(shù)?；蛘咴诜祷氐那闆r下， 函數(shù)返回一個空指針表示執(zhí)行失敗，這在C++中也是一個有效的使用方式。同樣的，這里可以使用智能指針，智能指針可以扮演指針的操作句柄。不過常常會導(dǎo)致 過量使用（使用堆），或者并沒有替代不確定的角色。這需要使用一個可選值類型來代替，用于確定其存儲的值是否有效。Boost庫有一個boost::optional來表示可選值類型。因此，可以考慮在C++14中引入有一個類似的可選類型。所以，現(xiàn)在std::optional會被移入到技術(shù)預(yù)覽版（TS）中，將來會變成C++14或者C++1y的一部分。

當前的標準庫中已經(jīng)使用了一些可選類型，比如std::set::insert會返回一個pair<iterator,bool>類 型，其第二個參數(shù)表示請求值是否插入到set容器中。容器通常返回尾迭代器來表示無效，但是如果要求返還一個值時，這個角色過去通常都是用指針來表示，指 針為0表示函數(shù)執(zhí)行失敗，因此這里的指針可以被可選類型替代：

optional<MyValue> ov = queryValue(42); 
if(ov) 
  cout << *ov; 
else 
  cerr << "value could not be retrieved"; 

因此，可選類型和智能指針類型替代了指針的一部分語義，填充了其角色。但是它們是值語義，并大部分都在棧上使用。

有效的指針

在寫作我對C++指針用法的思考時，我主要關(guān)注于那些指針可以被其他（比如：智能指針和可選類型等）替換的場景，但是低估了實際上有些場景指針仍然有用。感謝來自reddit，email和社交媒體的一些反饋。

非擁有者指針就是這樣一個例子，這里未來的幾年還是需要使用指針。shard_ptr有對應(yīng)的weak_ptr，但是unique_ptr沒有對應(yīng)的伙伴。這里就需要使用非擁有者原始指針。比如，在一個由父和子對象構(gòu)成的樹或者圖中。但是，未來C++中會新增exempt_ptr來代替。

在處理函數(shù)中的傳遞的值時，指針還是具有用處的，Herb Sutter寫了一篇非常好的文章:《GotW about this in May》。Eric Niebler 在他的Meeting C++會議的筆記中也談及了，同時移動語義會影響你應(yīng)該如何在函數(shù)中傳遞或者返回值。

這個表格來自 Eric Nieblers 的筆記, 請看幻燈片中的16/31 (建議你閱讀所有的幻燈片)

Eric Niebler說過，在能使用移動語義時盡可能使用移動語義。一個可選參數(shù)為例，vector::emplace_back接收一個參數(shù)，當其只是將把元 素移動到適當位置，這時你應(yīng)得使用移動語義。一些輸出參數(shù)返回一個值，編譯器可以使用移動語義或者CopyEllision（拷貝去除）的優(yōu)化技術(shù)。針對 一些以對象為輸入/輸出參數(shù)，非常引用也是可選擇性優(yōu)化的，但是Eric在他的筆記中指出：對象算法的狀態(tài)在構(gòu)造函數(shù)中應(yīng)使用槽參數(shù)。

在傳遞常量（非常量）引用時，指針可以做同樣的事情，不過有些不同，你需要對指針測試其是否為空。我個人更喜歡在函數(shù)/方法或者構(gòu)造函數(shù)時傳遞引用而不是指針。

指針計算

之前我提到過，從我個人的觀點，指針只是一個普通的變量，其值指向一個地址，或者更精確地說，是其指向值得一個地址號碼。這個地址號碼可以被復(fù)制， 你可以對其進行加或減法操作。這常常用于遍歷數(shù)組或者計算兩個指針的的距離，這在使用數(shù)組時很有用。這里對數(shù)組的便利其實就是迭代器，所以，在實際代碼 時，指針可以代替迭代器使用。但是，從我多年C++開發(fā)經(jīng)驗來看，我?guī)缀鯖]有用到針對指針的計算操作。而且在C++中，指針的計算已經(jīng)有了非常好的抽象。 我的觀點是，理解指針計算是重要的，這有助于理解代碼中指針的具體作用。

再見，指針？

理論上，C++可以不使用指針，但是由于指針是C/C++語言的核心概念，指針本身仍然會繼續(xù)存在。但是它的角色會變更，在你使用C++時，你不再 需要考慮指針。隨著C++的繼續(xù)發(fā)展，C++11和C++14朝著更抽象，對開發(fā)者更友好的方向發(fā)展。使用智能指針和可選類型，指針要么被封裝從而更適用 安全的值類型，要么完全被它們替代掉。

原文鏈接：http://www.meetingcpp.com/index.php/br/items/cpp-future-and-the-pointer.html

譯文鏈接：http://blog.jobbole.com/56312/