指標津逮——–淺談從指標到“ref”

    大凡剛剛接觸C語言的人，最頭疼的就是指標和鏈表了，別的變數裡存放的都是“正而八經”的值，這指標呢，偏偏存的就是一地址，用起來還有聲明和定義之別， 聲明是有“*”號的，賦其地址值，定義時是無“*”號方可賦地址值。由於可以直接給其賦記憶體位址，初學者稍有不慎，這指標便如群魔亂舞，使編譯者錯誤迭 出。
這時初學者不禁扼腕興歎，要是沒有指標多好！指標有什麼用？然而指標被喻為C語言的精華，自有其必然之處,例如：

1 void fun(int a)
2 {
3 a=20;
4 }
5 void main()
6 {
7     int a = 10;
8     fun(a)
9 }

想讓a變成20，若把a作為實參直接傳進去經過fun(a)之後出來a依舊是10。改變的只不過是形參的值，欲以此達到效果，無異刻舟求劍。但是如果把a的地址傳進去，即以指標作為實參，則可以達到這個效果：

 1 fun(int *p)
 2 {
 3 *p=20;
 4 }
 5 void main()
 6 {
 7 int a = 10;
 8 int *p = &a;
 9 fun(p);
10 }

此 時改變的，是儲存10這個的空間裡的值。可能有人會問，為什麼不直接讓a=20呢？在這裡的確是可以，打個比方，為了開啟一個A抽屜，有兩種辦法，一種是 將A鑰匙帶在身上，需要是時直接找出該鑰匙開啟抽屜，取出所需的東西，另一種辦法是：為了安全起見，將該A鑰匙放到另一個抽屜B中鎖起來。如果需要開啟A 抽屜，就得先找出B鑰匙（這裡說的鑰匙就是指的地址，抽屜裡的東西，就是*p的值），開啟B抽屜，取出A鑰匙，再開啟A抽屜，取出A抽屜中之物。（譚浩強 C程式設計 第三版 220頁）。我們有時需要用到函數，來達到我們特定的目的，有很多重複的交換，我們可以寫成一個方法。那樣可以削去大量的代碼冗餘，使我們的代碼更洗鍊， 更清晰。指標更大的好處在於一個方法，只能有一個傳回值。若想得到兩個或多個傳回值。這個時候，指標的作用就顯現出來了。我們把想得到的結果以指標變數做 為參數的形式傳遞進去如：
void fun(int* a,int*b)就OK了。
由於指標的這種操作起來的不方便，和管理起來的不安全 性。後來的物件導向語言C#或者是JAVA都有意的屏蔽了指標。但程式員的工作，就是在記憶體上跳舞，不接觸記憶體，能寫出程式嗎？故此.NET提供了一種安 全的方式。不允許把一個地址直接賦給一個變數（但可以通過safe(){…}在特定地區內運用指標，看這樣子就知道，這種方法不被推薦），因此不會出現指 針可以肆意亂指到記憶體的危險地區或保密地區，即便和記憶體打交道，也是通過“CLR”的託管，“CLR”可以自動回收存放記憶體位址資訊的引用變數，也可以檢 測某塊堆空間當前是否有指向它的關聯對象（即“引用”），若此堆空間當前並未被指向，則自動回收。
溯本求源，在C#裡，我們依稀能看到指標的影 子，它，只是變換了一種出場的方式而已，我們熟知的對象名。即“引用”說的就是指標了。它也是在記憶體的棧空間中，開闢出一塊4個位元組大小的空間，裡頭存放 了堆空間中某一地區的首地址。意思亦是同一個“指標”指向了堆空間的特定地區。故此，他山之石，可以攻玉，我們學好了C語言裡的指標，對我們的C#編程也 是大有裨益的。
下面就幾個實踐中遇到的問題，闡述下我對指標的理解。為了方便講解，建立一個windows表單應用程式項目，在表單上拖進一個textBox1文字框和button1按鈕。
寫一個User類：

 1 class User
 2 {
 3 private string m_Name;
 4 public string Name
 5 {
 6     get{return m_Name;}
 7     set{m_Name = value;}
 8 }
 9 private string m_Pwd;
10 public string Pwd
11 {
12     get{return m_Pwd;}
13     set{m_Pwd = value;}
14 }            
15 }

在這個類裡有公用欄位：Name和Pwd。再寫一個Users類，

 1 class Users
 2 {
 3     private List<User> userList = new List<User>(); 
 4     public void Add(User user)
 5     {
 6         userList.Add(user);
 7 }
 8 public User this[int index]
 9 {
10     get{return userList[index];}
11     set{userList[index ] = value;}
12 } 
13 public int Count()
14 {
15     return userList.Count;
16 }
17 } 

其中有一個集合欄位，現在在button1按鈕的點擊事件中，建立2個User使用者的執行個體往集合中添加，代碼如下：

 1 private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
 2 {
 3 User user = new User();
 4 Users users = new Users();
 5 user.Name =”aaa”;
 6 user.Pwd = “111”;
 7 users.Add(user);
 8 //user = new User();
 9 user.Name = “bbb”;
10 user.Pwd = “222”;
11 users.Add(user);
12 textBox1.Text = users.Count().ToString();
13 for(int i =0;i<users.Count();i++)
14 {
15     textBox1.Text += Environment.NewLine + users[i].Name;
16     textBox1.Text += Environment.NewLine + users[i].Pwd;
17 }
18 }

這 時大家可以發現，運行程式，點擊button1按鈕，結果是文字框上顯示是2，也就是說集合裡頭有兩個使用者且其帳號皆為bbb，密碼是222。緣何如此？ 我們只執行個體化了一個對象。第一次將其定義為帳號為”aaa”，密碼為”222”的user使用者，並將其添加進了集合users中。我們知道集合中的資訊實 際上並非儲存在集合的堆裡，而是儲存在另外一個記憶體的非託管地區裡，集合的堆中只存放集合所添加元素的地址資訊，也就是產生一個指向非託管地區的指標。故 至此的操作流程是在記憶體的棧中開闢兩塊空間分別存放引用變數“user”和“users”，且在完成“users.Add(user)”之後就在記憶體中新 開闢了一塊地區，即“非託管地區”，用來儲存“user”中的資訊，而集合的堆中只產生一個指標，指向那塊存有“user”資訊的堆。當第2次又添加帳號 為“bbb”，密碼為“222”的使用者時，由於並沒有開闢新的“user”執行個體，所以添加的資訊依舊是上一個執行個體在記憶體中的堆空間，那麼添加到集合的非托 管地區的，也還是那個對應的堆，只是把堆空間裡面的值修改了而已。但是這時在“users”中卻有另一個新的指標指向了那個非託管地區，也就是說，此時 “users”裡有兩個指標同時指向了那個存有“user”資訊的非託管地區。若是把代碼修改下，在添加完第一個使用者之後增加一條代碼“user = new User();”（即上面注釋那條語句取消掉注釋）那麼此指標“user”有了新的堆空間指向，那麼再次添加到“users”中，集合“users”裡就 有兩個指標分別接收不同的堆空間的首地址了，因此“users”裡就有兩條不同的使用者資訊了。這裡我們要注意的是，往集合中添加一次資料，集合中就會有一 個指標指向到添加資料的堆。添加多次，就會有多個指標同時指向到添加資料那個堆。而不是同一個“user”只能往集合中加一次。
上面舉的例子，是直接修改指標指向，若是要通過一個方法修改指標所指向的堆，則是需要“ref”這個關鍵字來修飾了。如在表單類中定義一個方法：

1 private void fun(ref User user)
2 {
3 user = new User();
4 user.Name = “aaa”;
5 user.Pwd = “111”;
6 }

我們把上面的滑鼠點擊事件裡寫的代碼去掉，重新寫入：
   

 private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
        User user = null;
        fun(ref user);
        textBox1.Text = user.Name;
        textBox1.Text += Environment.NewLine + user.Pwd;
    }

我 們把“user”這個對象名，以fun(ref user)的方式傳遞進去。由於用”ref”修飾實際上是把”user”這個對象名在棧空間中的地址傳遞進去，那麼修改“fun()”中的“user“實 際上就是等價於修改外面的“user”，也就是相當於以函數修改指標“user”的指向，這種以“ref”的方式傳遞值的，相當於本文開頭所說的直接進行 值傳遞，而區別於指標因為“ref”傳遞時，並未開闢新的空間。只是給user起了一個別名而已，“ref user”就是“user”這個引用的地址。在“fun(ref User user)”中的“user”前“User”只不過是表明“user”的資料類型，而不是聲明！如果沒有“ref”那麼“User user”就是聲明語句，是在棧空間中新開闢一個存指標的地方。所以直接把“user”以實參傳進去，可想而知也是不能達到目的的。這種方式，在C++裡 面也有，不過符號是“&”，這兩種符號都可以稱之為取別名，而別於指標。但是在C++中，“&”有一種缺陷。那就是當聲明一個函數 void fun(int a)和他的重載void fun(int &a)時，調用fun(a)就會報錯，原因是編譯器不知道調用哪個重載（錢能 C++程式設計教程 第191頁）。好在C#裡比較完善，調用時如果是“ref”形式傳實參時必須帶上fun(ref user)；這也算是一種革新吧。
    上述的原理，我從C語言的角度來解釋下。在C裡，有種變數叫做指向指標的指標，其符號為“**p”；裡頭存放的是指標“*p”的地址。我們來看下面一組代碼：

 1 void fun(int **m,int **n)
 2 {
 3     **m = 50;
 4     *n = *m;
 5 }
 6 
 7 void main()
 8 {
 9     int a = 10;
10     int b = 20;
11     int *p = &a;
12     int *t = &b;
13     fun(&p,&t);
14     printf(“%d,\n%d”,a,b);
15     getchar();
16 }

在這裡，我先舉一張表來說明二級指標和一級指標的區別：

 

表的最上端的意思是：任何方法中，實參的值是永遠無法被形參所改變，打個比方說，一個二級指標的方法，那麼它的實參是指標的地址，我們運行這個方法 時，都是在不改變指標地址的前提下進行，一旦我們在“fun()”中運行這麼一條語句：“m=n”那麼我們對“m”進行的任何操作，也就對外面的“p”沒 有影響了，因為它所作用的對象已經不是存放“p”地址裡面的東西了。

執行上述代碼時，為了講解方便，我特擬了一幅草圖：

 

當運行到函數fun()中時執行第一行代碼編譯器會先找到“m”裡是傳進來的指標“p”的地址3，繼而找“*m”，發現3裡面是指標“p”指向變數 的地址5，再轉到5的裡面最後找到“**m”，到了5裡面發現是指標“p”所指向地址裡的變數值內容10，並且將其內容改為“50”，接下來就是把 “*m”賦值給“*n”意思是讓“t”也指向5。
這裡強調一下，上面的方法不可以寫成：

1 void fun(int **m,int **n)
2 {
3     **m = 50;
4 int **k;
5     *k = *m;
6     *n = *k; 
7 }

這樣調用的話，系統在編譯時間可能沒問題，但是在執行時會報錯， 原因是聲明了一個沒有指向的危險的指標k。這也是為什麼我的表要強調第5列是已經聲明過了的指標意義所在了。
利用這種方法，我們也能達到修改指標指向之目的。
    以 上說的是修改指標的指向，要是修改指標指向的堆空間中的資料，則可以直接傳對象名進去，因為對象名本身就是指標，把指標傳進去，雖然新“new”出來的實 例對象是新的，不在同一個棧空間。但是通過傳遞指向的是同一個堆，經函數修改過後。函數外面指向的堆中的值自然也就改了。如：
 

 1    private void fun(User u)
 2 {
 3     u.Name = “aaa”;
 4     u.Pwd = “123”;
 5 }
 6 
 7 
 8 private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
 9 {
10     User user = new User();
11     fun(user);
12         textBox1.Text = user.Name;
13         textBox1.Text += Environment.NewLine + user.Pwd;
14 }

和

1 private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
2 {
3     User user = new User();
4     user.Name = “aaa”;
5     user.Pwd = “123”;
6 textBox1.Text = user.Name;
7         textBox1.Text += Environment.NewLine + user.Pwd;
8 }

效果無異。在這裡，我們要弄清楚堆和棧變數的區別，堆是由指標指向的空間，而棧變數本身並無指標指向。所以堆有指向它的指標指向發生改變和堆自己發生改變之說。
從這些例子中，我們可以看到C#的文法實際上是源自於C的，就好似天下武功出少林一樣，掌握了基本的C文法，就如同練功要先練馬步一樣，下盤根底紮實了，才能追求更高的造詣。學好指標，就是鍛煉我們的基本功。再今後遇到問題時，定能劍鋒所指，擋者披靡。

後跋
終 於寫完了！修改了6，7個小時。。雖不似“兩句三年得，一吟雙淚流”。不過看著自己的學習心得完工，真是舒暢。“津逮”，原意是指從渡口乘船至目的地，引 申為學習的門徑。自古文是“以載道”的，本人才疏學淺，肚子裡存貨太少，寫的時候又要考慮舉例的抽象性和歸類相似避免舉出重複例子，又要考慮行文的連貫和 邏輯性，把相似的歸類撰述；語言還要盡量表述準確。寫的真是比古人所說“吟得一句詩,撚斷數根須”還難受。這篇小文章，若能對讀者朋友有一點拋磚引玉的引 導作用，愚願足以。掌握好C是學好物件導向語言的基礎。C#的學習要知其然更要知其所以然，雖然瞭解原理並不意味著編程能有多高的技術體現出來。但是可以 協助我們快速的尋找出錯誤所在。學習原理這塊，封裝的思想雖然是要運用，亦不可過分依賴封裝而不瞭解其原理，不然學習起來就猶如牆上蘆葦，頭重腳輕根底 淺，所搭建的代碼，也是空中樓閣，華而不實了。