面向对象设计还需要指针么？

大三那会还在搞单片机和MFC，玩的纯C系的语言，每天和指针打交道，一切皆指针。有一天，听说JAVA里没有了指针，我大惊失色，指针都没了，这语言还能搞啥？

后来，类似C#,JAVA的高级面向对象语言用得多了。反过来思考，高级面向对象语言没有了指针，到底是好事还是坏事？这种区别体现在哪里？本文以C#和C++为例做个对比，JAVA机制和C#类似。与各位共同探讨。

为了简单，我们先定义一个Point类， 只有X,Y 两个变量。看看C++和C#之间的使用区别

1. 指针和引用

C++中，指针和引用的有一定的区别，指针是一个地址，而引用只是别名，引用使用起来要方便得多。因为指针本身是地址，地址当然可以指向任何地方，所以便有了指针的指针，如果再和数组，函数，结构和类联系上，那简直就是考验人的大脑。 C++的引用，定义了就必须在声明时就初始化，而且不能更改。

C#中，只有引用，一切“引用型变量”都是引用。但这个引用和C++中的引用不同，它更像一个“地址”。如果你声明了 Point p, p就是引用。但是这个p可能没有初始化，你也可以在任何时候改变它。

点评： 指针本来是好东西，但它太灵活，搞得太复杂了。反正我现在不大喜欢看*和&这类符号。

2.类的构造

C++中，可以使用两种方式新建一个变量：

(1) Point p, 你就构造了一个Point变量。 它处在栈区。

(2) Point* p=new Point; 它处在堆区：

最牛的在于，Point points[10]; 这样的声明，会直接产生十个Point对象，处于栈区。

也可以这么定义，Point* ps=new Point[10]; 处于堆区。

C#中，只有一种方式创建：Point p=new Point(); 处于堆区。

3. 交换两个对象

大家一定都记得，初学C++时经典的数字交换问题。

C++中， 两种做法： void Swap(int* a,int *b) 或者是 void Swap(int& a,int& b) ，这个没什么好说的

有意思的是，如果交换两个对象呢？ 如果是void Swap(Point a, Point b)，那你就已经错了，在执行这个函数时，拷贝构造函数会将你的实参分别拷贝到a,b两个对象中，处在堆区。当函数返回时，你除了浪费了一堆时间做无谓的拷贝工作外，对象还是原来的对象。 因此还得是 void Swap(Point* a, Point *b)或者 void Swap(Point& a, Point& b)。

C#中，交换值类型时，可以使用void Swap(ref int a, ref int b)， 如果是引用类型，直接使用void Swap(Point a, Point b)就行了。

点评：你会发现，C++中根本就没有值类型和引用类型这回事，加上*，&才是“引用类型”，否则就是值类型，值类型传递，就会调用拷贝构造函数，造成一定的性能损失。而C#不存在这个问题。

4.函数返回值与工厂模式

设计模式的构造模式中，工厂是最常见的，你可以非常方便的写一个C#版本的工厂，但在C++中，怎么实现工厂？

Point GetProduct()
{
Point p; //设置为默认值就可以了。
returnp;
}

调用时 Point *p= &GetProduct();

你觉得这样对么？留给读者讨论。

5.类的组合和对象拷贝

类可以组合，也可以继承。但在C++中，类组合会带来额外的问题，考虑如下的结构：

classPointEx
{
public:
Point A;
Point B;
//其他成员和函数
}

那么你声明一个PointEx pex， 那么A,B两个对象就会被自动创建。如果希望能在构造函数中传递A,B两个类的参数，那必须使用“内部对象构造函数”，具体细节参考普通C++教材。而对象拷贝时，也带来了额外的隐患，默认的拷贝构造函数只能拷贝普通类型，但这些组合的成员，如果直接=的话，那么两个PointEx可能就指向同一个Point A。

在C#中，不存在这样的问题，首先A,B在PointEx的构造中，根本就不会被构造。除非你在PointEx中显式的new出A和B。

除此之外，C++中，子类和父类的构造函数与析构函数的执行顺序相当重要。C#中，析构函数被取消了（因为GC）,代之以Dispose模式。

6. 函数指针和委托

首先，函数指针是无敌强大的，因为存储区分为堆，栈，代码区和全局数据区。所以代码区也是能被指针访问的，因此函数指针指向代码区，就能把函数流程指向那个区域。这是函数指针的实质。

C++中：你可以这样定义函数指针 int (*sqrt) (int x); (看着真恶心，你还没见函数指针数组，返回函数指针的函数等等丧心病狂的类型) 。可以这样赋值：

先随便定义一个函数sqrt2, 然后func= sqrt2;就可以了，

C#中：可以这样定义委托 delegate int sqrt(int x); 赋值类似。 当然还有更牛的“事件”，实现了多播委托（我理解就是委托数组）

点评： 委托的最大好处是强类型的，而且看着比函数指针优雅的多，功能也更强。

最近，我认识到了函数式编程的强大。如果能认识到“函数也是变量”，那么就是一个很大的进步。

7. 指针类型转换

先说普通值类型的指针类型转换。

C++中：定义两个指针, int*a 和float*b . 两个是不能直接赋值的。要想赋值，只能采用空指针作为中介:

void*pv= a;
b= static_cast<float>(pv);

如果是对象，而且是有继承关系的，例如Point3D继承于Point，那么从Point*到Point3D*如何转换呢？

C#中，可以采用强制类型转换或as关键字:

Point3D p3d= (Point3D)p2d; 或者是 Point3D p3d= p2d as Point3D;

点评：类型是任何一门语言中都非常复杂的一部分。 C#有强大得多的类型系统和元数据模型，处理起来要更高级一些。 不过，我有个疑问，C++中，什么区域存储一个变量的类型？机器怎么知道某一块区域内的内存是int而不是double? 难道存储在代码区？

8. 类和结构体的区别

C++中，类和结构体本质几乎没有区别，结构体也能定义函数，定义不同的变量成员，只是所有成员都是公开的；而类有访问控制，可以实现继承和派生。

C#中：类是引用类型，结构体是值类型。结构体作为参数或返回值，都需要做拷贝。而且，结构体无法定义除了构造函数之外的成员函数。用结构体，可以获得比类更高的性能。

导致这些区别的原因：内存分配

其实，说这么多，导致C#和C++的 这些区别的本质原因，在于它们内存分配机制的不同。

C++中，不论是对象还是普通的值，如果是通过 Point p这样的语法生成的话，那么就在栈上。一旦函数结束，栈就被回收。只有new关键字生成的对象，才放在堆上。

放在栈上的数据因为随时可能被回收，才需要这么复杂的指针机制。指针的地址问题，这就像装盒子一样，一个盒子不安全，就多套几层盒子，盒子越套越多，搞得越来越复杂。

C#中，有值类型和引用类型的区别。所有的引用类型，都在堆上，回收靠GC处理。普通函数中定义的值类型都在栈上。如果是对象当中的“值”，那当然也定义在堆上。因为堆比栈方便多了，一个地址就可以了。所以使用起来要比在栈上方便的多。

要说性能，当然是栈比堆快，和内存访问的集中性有关，栈的数据基本都在高速缓存当中，命中率极高。但堆却不一定。 正是因为GC的作用，允许引用类型就定义在堆上。当然，我相信对于C#这样的语言，在编译或运行时应该会计算哪些是数据访问热点，从而优化命中率。 C#这类高级语言，是靠一个强大的“运行时”(runtime)和虚拟机来帮助它实现了这类区别。

我现在还不是很清楚，堆和栈的比例是怎么分配的。以前搞单片机的时候，会有一个编译选项选择它们的比例，我一般会把栈内存(heap)拉到90%，我不愿意用堆，因为觉得麻烦。

那么，高级面向对象语言需要指针么？

有了上面的那一段，估计大家都有答案了。因为有了强大的运行时支持，有了垃圾回收器，使得堆的使用率比栈大的多。虽然性能上会有那么一点点损失吧，但带来的确实是代码的简洁，高效，程序员再也不需要玩指针的游戏了。它带来了以下好处：

1. 省略了拷贝构造函数和析构函数

2. 简化了函数的参数和返回值，不需要再去调用拷贝函数了，性能有所提升。

3. 简化了对象组合的复杂性，C++内存管理本来就够复杂了，面向对象会变得更加复杂，稍微不注意就会造成内存泄露和指针悬挂等。而在C#中，你可以放心大胆的使用组合和继承。思路会清晰的多。

4.C#,JAVA代码好看得多,起码没有那些奇怪的符号。

5. 其他我还没有想到的好处。

从这个角度来说，指针的作用已经被“引用”类型代替了。

但是，C++不需要运行时和虚拟机，直接编译为原生代码，性能肯定更好，但确实C++难学。C++大牛肯定能列出一堆C++内存机制的好处，这个见仁见智了。

还有些遗留的问题，当开启C#的unsafe选项后，可以在C#里直接写C++，那么这种内存管理是如何完成的？