四、指针空值–nullptr

声明：该笔记是在学习《深入理解C++》、《C++11/14高级编程 Boost程序库探秘》时做的总结，方便以后巩固复习！

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：

1
2
char *ptr = 0;
char *ptr = NULL;

在底层源码中 NULL 这个宏是这样定义的:

1
2
3
4
5
6
7
#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：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
#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：

1
2
3
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新标准这，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：

1
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是通过推导而来的缘故。

对上述程序进行修改：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
#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：

1
2
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。

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nullptr及nullptr_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()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。

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：

1
sizeof(nullptr_t) == sizeof(void*)

注：那么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。