22.指针进阶

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2025-02-05

一、开场：深入指针的进阶领域

标题：探秘指针进阶 - 挖掘指针与数组、函数的深层联系

副标题：深化指针理解，提升编程核心能力

引入方式：展示一个建筑施工的场景，建筑工人需要按照设计图纸精确地放置各种建筑材料。类比到编程中，指针就像是建筑工人手中的图纸，数组和函数是不同的建筑材料，了解指针与数组、函数的关系，能更高效地构建复杂的程序。提问学生是否想知道如何利用指针更好地操作数组和函数，从而引出本节课的主题。

配图：选择建筑施工的图片，或者用简单的流程图展示指针在数组和函数操作中的流程，让学生对即将学习的内容有初步的感知。

二、指针与数组的深度融合

指针作为数组名的理解

回顾之前所学，数组名在表达式中常常被当作指向数组首元素的指针常量。以int numbers[5]; 为例，numbers就等同于&numbers[0]，它指向数组的第一个元素。

通过地址运算，展示如何利用数组名指针访问数组的其他元素。例如，numbers + 1指向数组的第二个元素numbers[1]，*(numbers + 2)等同于numbers[2]，让学生理解数组名作为指针的运算规则。

动态数组与指针

讲解使用new运算符创建动态数组的方法，动态数组的大小可以在运行时确定。例如：

int size;
std::cout << "请输入数组大小: ";
std::cin >> size;
int *dynamicArray = new int[size];

这里根据用户输入的大小动态创建了一个整型数组，dynamicArray是指向该动态数组首元素的指针。

2. 强调动态数组使用完毕后，必须使用delete[]运算符释放内存，避免内存泄漏。例如：

delete[] dynamicArray;

对比静态数组和动态数组的优缺点，静态数组在编译时确定大小，内存分配在栈上，生命周期与函数相同；动态数组在运行时确定大小，内存分配在堆上，需要手动管理内存，但更加灵活，适用于数组大小不确定的场景。

代码示例 1：动态数组的操作

#include <iostream>

int main() {
    int size;
    std::cout << "请输入数组大小: ";
    std::cin >> size;

    int *dynamicArray = new int[size];

    // 为动态数组赋值
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        dynamicArray[i] = i * 2;
    }

    // 输出动态数组的元素
    std::cout << "动态数组的元素: ";
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        std::cout << dynamicArray[i] << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 释放动态数组的内存
    delete[] dynamicArray;

    return 0;
}

分析代码：首先获取用户输入的数组大小，然后创建动态数组，通过循环为数组赋值并输出，最后释放动态数组的内存，展示了动态数组的完整操作过程。

三、指针与函数的奇妙关联

指针作为函数参数

讲解指针作为函数参数的作用，通过传递指针，函数可以直接访问和修改实参的值，而不是传递实参的副本，提高了效率，并且可以实现函数对多个变量的修改。例如：

void swap(int *a, int *b) {
    int temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

这个函数接受两个整型指针作为参数，通过指针交换两个变量的值。

2. 对比传值调用和指针调用的区别，传值调用时函数内部对形参的修改不会影响实参，而指针调用可以改变实参的值。在main函数中调用swap函数，展示指针调用的效果：

int main() {
    int num1 = 5, num2 = 10;
    std::cout << "交换前: num1 = " << num1 << ", num2 = " << num2 << std::endl;
    swap(&num1, &num2);
    std::cout << "交换后: num1 = " << num1 << ", num2 = " << num2 << std::endl;
    return 0;
}

函数指针

介绍函数指针的概念，函数指针是指向函数的指针变量，它存储的是函数的入口地址。函数指针的定义语法为：

返回值类型 (*指针变量名)(参数列表);

例如，定义一个指向返回int类型、接受两个int类型参数的函数的指针：

int (*funcPtr)(int, int);

讲解如何将函数名赋值给函数指针，以及通过函数指针调用函数。例如：

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

int main() {
    int (*funcPtr)(int, int) = add;
    int result = funcPtr(3, 5);
    std::cout << "两数之和: " << result << std::endl;
    return 0;
}

这里定义了add函数，然后将add函数的地址赋值给funcPtr，通过funcPtr调用add函数。

3. 说明函数指针的应用场景，如实现回调函数，在一些需要根据不同条件执行不同函数的场景中，函数指针可以提供灵活的解决方案。

代码示例 2：函数指针的应用

#include <iostream>

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

int subtract(int a, int b) {
    return a - b;
}

void calculate(int a, int b, int (*operation)(int, int)) {
    int result = operation(a, b);
    std::cout << "计算结果: " << result << std::endl;
}

int main() {
    int num1 = 10, num2 = 5;

    calculate(num1, num2, add);
    calculate(num1, num2, subtract);

    return 0;
}

分析代码：定义了add和subtract两个函数，以及一个calculate函数，calculate函数接受两个整数和一个函数指针作为参数，通过函数指针调用不同的函数进行计算，展示了函数指针在实现灵活计算逻辑中的应用。

四、实践与巩固

练习题目

让学生编写一个程序，使用动态数组存储用户输入的整数，然后对数组进行排序（可以使用冒泡排序或其他排序算法），最后输出排序后的数组。要求使用指针操作动态数组。

编写一个程序，定义多个函数实现不同的数学运算（如加法、乘法、除法），通过函数指针根据用户的选择调用相应的函数进行计算。

互动环节

开展小组竞赛，将学生分成小组共同完成练习题目。完成后，每个小组推选一名代表进行代码展示和讲解，其他小组进行提问和评价，教师进行总结和点评，获胜小组可获得小奖品，如编程书籍、在线课程优惠券等。

进行情景模拟编程，教师给出一些生活中需要使用指针与数组、指针与函数的场景，如模拟超市库存管理系统（使用动态数组存储商品信息，通过函数指针实现不同的操作，如添加商品、查询商品库存等），让学生在规定时间内用所学知识编写代码实现，然后邀请学生上台分享自己的代码思路，增强学生的编程实践能力和表达能力。

五、回顾与总结

总结

回顾指针与数组的关系，包括数组名作为指针常量、动态数组的创建和释放，以及指针在数组操作中的应用。

总结指针与函数的关系，指针作为函数参数的作用和使用方法，函数指针的概念、定义和应用场景。

强调在使用指针与数组、指针与函数时需要注意的事项，如动态内存的管理、函数指针的类型匹配等。