Указатели, ссылки и память

Ты хочешь дать другу книгу, но она очень тяжёлая. Вместо того чтобы нести её, ты пишешь на листке адрес: «улица Низами, 12, третья полка». По адресу друг сам найдёт книгу. В C++ указатель — как раз такой листок: он хранит не само значение, а его адрес в памяти. Указатели дают C++ скорость и гибкость, но невнимательность может дорого обойтись.

Адреса и указатели

Память компьютера состоит из пронумерованных ячеек, и каждая переменная находится по некоторому адресу. Оператор & возвращает адрес переменной. Адрес обычно выводится в шестнадцатеричной системе и может меняться при каждом запуске программы:

#include <iostream>

int main() {
    int coins = 50;
    std::cout << "Value: " << coins << '\n';
    std::cout << "Address: " << &coins << '\n';
    return 0;
}

#include <iostream>

int main() {
    int coins = 50;
    int* ptr = &coins;

    std::cout << "coins = " << coins << '\n';
    std::cout << "*ptr = " << *ptr << '\n';

    *ptr = 75;
    std::cout << "coins = " << coins << '\n';
    std::cout << std::boolalpha << (ptr == &coins) << '\n';
    return 0;
}

coins = 50
*ptr = 50
coins = 75
true

Ссылки и nullptr

В прошлых уроках ты познакомился со ссылками (int& ref = a;) — ссылка это второе имя переменной. В отличие от указателя, ссылка обязательно привязывается к переменной при объявлении и потом не может быть перепривязана к другой. Указатель же в любой момент можно направить на другой адрес, а может и вовсе никуда не указывать.

#include <iostream>

int main() {
    int a = 10;
    int b = 20;
    int& ref = a;
    int* ptr = &a;

    ref += 5;
    std::cout << "a = " << a << '\n';

    ptr = &b;
    *ptr += 5;
    std::cout << "b = " << b << '\n';
    std::cout << "a = " << a << '\n';
    return 0;
}

a = 15
b = 25
a = 15

Указателю, который никуда не указывает, присваивают nullptr. Разыменование nullptr (*p) — неопределённое поведение, и обычно программа аварийно завершается. Поэтому, если указатель может быть пустым, проверяй его перед использованием:

#include <iostream>

void printValue(const int* p) {
    if (p == nullptr) {
        std::cout << "No value\n";
        return;
    }
    std::cout << "Value: " << *p << '\n';
}

int main() {
    int level = 3;
    printValue(&level);
    printValue(nullptr);
    return 0;
}

Value: 3
No value

Динамическая память: new и delete

Обычные локальные переменные создаются в стеке и автоматически удаляются, когда функция завершается. Но иногда память нужно выделить во время работы программы и нужного размера. Оператор new выделяет место в куче (heap) и возвращает его адрес. Такая память сама не освобождается: её нужно вручную вернуть через delete (а массив — через delete[]).

#include <iostream>

int main() {
    int* p = new int(42);
    std::cout << *p << '\n';
    delete p;
    p = nullptr;

    int size = 4;
    int* squares = new int[size];
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        squares[i] = i * i;
    }
    std::cout << squares[3] << '\n';
    delete[] squares;
    return 0;
}

42
9

RAII и умные указатели

Современный C++ решает эти проблемы с помощью принципа RAII (Resource Acquisition Is Initialization — «получение ресурса есть инициализация»): объект берёт ресурс во владение и автоматически освобождает его при своём уничтожении. Именно так работают std::vector и std::string. Для одиночного объекта есть умный указатель std::unique_ptr из <memory>: он единственный владелец памяти и сам удаляет её, выходя из области видимости.

#include <iostream>
#include <memory>
#include <utility>

int main() {
    std::unique_ptr<int> score = std::make_unique<int>(100);
    *score += 50;
    std::cout << "Score: " << *score << '\n';

    std::unique_ptr<int> other = std::move(score);
    std::cout << std::boolalpha << (score == nullptr) << '\n';
    std::cout << "Other: " << *other << '\n';
    return 0;
}   // other deletes the memory automatically

Score: 150
true
Other: 150