C++11特性：指针空值 nullptr

前言

在 C++11 中，nullptr 被引入为一种新的空指针类型，目的是替代传统的 NULL 宏，以便更清晰和更安全地表示空指针。nullptr 不仅解决了 NULL 可能引发的歧义，还增加了对类型安全的支持。

本文将详细介绍 nullptr 的背景、特性和使用场景。

1. nullptr 的背景

在 C++ 中，NULL 被广泛用来表示空指针.NULL实际是一个宏，在传统的C头文件(stddef.h)中，可以看到如下代码：

#ifndef NULL
#ifdef __cplusplus
#define NULL   0
#else
#define NULL   ((void *)0)
#endif
#endif

这种实现方式存在一定问题：

可以看到，NULL可能被定义为字面常量0，或者被定义为无类型指针(void*)的常量。不论采取何种定义，在使用空值的指针时，都不可避免的会遇到一些麻烦，比如：

• 类型不安全：由于 NULL 实际上是 0，它可能被错误地解释为整数 0。在某些情况下，编译器可能无法正确区分 0 是空指针还是数字常量。
• 重载函数冲突：在重载函数中，NULL 作为整数常量可能会导致不明确的重载匹配，编译器无法确定应该调用哪个版本的函数。

例如：有如下代码

//C++中的空指针
void f(int) {
	cout << "f(int)" << endl;
}
void f(int*) {
	cout << "f(int*)" << endl;
}
int main() {
	f(0);
	f(NULL);
	f(nullptr);	//空指针关键字
	cout << sizeof(nullptr) << endl; //8字节
	return 0;
}

运行结果如下

程序本意是想通过f(NULL)调用指针版本的f(int*)函数，但是由于NULL被定义成0，因此与程序的初衷相悖。
在C++98中，字面常量0既可以是一个整形数字，也可以是无类型的指针(void*)常量，但是编译器默认情况下将其看成是一个整形常量，如果要将其按照指针方式来使用，必须对其进行强转(void*)0。

为了避免这些问题，C++11 引入了 nullptr，它是一个具有明确类型的空指针常量。

2. nullptr 的特性

2.1 类型安全

nullptr 具有独特的类型 std::nullptr_t，这使得它与任何类型的指针都不相同。它是一个空指针常量，专门用来表示指针的空值。

int* p1 = nullptr; // 正确，p1 是一个空的 int 指针
int x = nullptr;   // 错误，不能将 nullptr 赋给一个非指针类型

2.2 不能被隐式转换为整数

与 NULL 可能被隐式转换为 0 不同，nullptr 无法被转换为整数类型。这消除了类型不安全的隐患。

nullptr_t nt = nullptr;
int x = nt;  // 错误，无法将 nullptr_t 转换为 int

2.3 可以用于所有指针类型

nullptr 可以用于任何类型的指针，无论是普通指针、智能指针还是类类型指针。

int* p1 = nullptr;        // 对于普通指针
std::shared_ptr<int> p2 = nullptr;  // 对于智能指针

2.4 在重载函数中消除歧义

由于 nullptr 有明确的类型，它可以帮助解决重载函数中由于 NULL 造成的歧义问题。

void func(int* p) {
    std::cout << "Called func(int*)\n";
}

void func(double* p) {
    std::cout << "Called func(double*)\n";
}

int main() {
    func(nullptr);  // 传递 nullptr，调用 func(int*)
    return 0;
}

在这个例子中，func(nullptr) 会调用 func(int*)，而不会引发重载歧义问题。

3. nullptr 与 NULL 比较

3.1 定义差异

• NULL 是一个宏，通常被定义为 0，但它是整数类型，不具有指针类型的明确区分。
• nullptr 是一个具有明确类型 std::nullptr_t 的常量，只有在指针上下文中才有效。

3.2 使用场景

• 使用 NULL 时可能会引发一些类型混淆或重载解析问题，尤其是在复杂的函数重载中。
• 使用 nullptr 能有效避免这些问题，因为它具有强类型系统，不会与整数类型混淆。

3.3 编译器支持

大部分现代编译器都已经支持 nullptr，因此可以放心使用。在 C++11 标准之前，C++ 编译器大多只能使用 NULL 来表示空指针。

4. nullptr 在实际编程中的使用

4.1 初始化指针

在初始化指针时，使用 nullptr 是更好的选择，因为它确保指针明确为空。

int* p = nullptr;  // 更安全和明确的空指针初始化

4.2 在函数重载中避免歧义

在重载函数中，nullptr 的使用可以避免由于 NULL 引发的歧义问题。

void foo(int* p);
void foo(double* p);

foo(nullptr);  // 调用 foo(int*)

5. 总结

C++11 引入的 nullptr 改进了 C++ 语言中的空指针表示方式，解决了 NULL 存在的一些问题。它提供了类型安全、消除了重载歧义，并且在现代 C++ 编程中，nullptr 是推荐使用的空指针常量。通过使用 nullptr，可以编写更加安全和可维护的代码。

1. 在使用nullptr表示指针空值时，不需要包含头文件，因为nullptr是C++11作为新关键字引入的。
2. 在C++11中，sizeof(nullptr) 与 sizeof((void*)0)所占的字节数相同。
3. 为了提高代码的健壮性，在后续表示指针空值时建议最好使用nullptr。