C++11：nullptr

引言

C++98标准定义空指针是NULL，NULL是一个Macro常量，定义格式：

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

如此定义的原因是，C语言允许void*隐式转换为任意指针类型，而C++不允许这样 *** 作，但是C++允许任意指针赋值0。

nullptr是C++11新引入的特性，C++98标准NULL的升级版本。虽然nullptr是C++11引入的关键字，但是和98版本不同的是，nullptr存在类型，它的类型是nullptr_t。需要特殊说明的是nullptr_t 是C++11~C++20标准特性，但不是C99 ~C17标准的特性，C语言从C23才开始支持nullptr_t。

nullptr

nullptr是一个标准的右值常量。C++11~C++20标准规定，nullptr具有下述特性：

• nullptr可以隐式的方式转换为任何指针类型和任何成员指针类型的空指针。例如：

int * p = nullptr;    // nullptr可以赋值给int*
std::string * p2 = nullptr; // nullptr可以赋值给std::string*
std::nullptr_t&& n = nullptr; // nullptr可以赋值给std::nullptr_t右值引用
std::nullptr_t& nn = nullptr; // 编译报错，不允许nullptr赋值给左值引用

• 由于nullptr是一个右值，因此不能对nullptr做取地址运算，例如：

std::nullptr_t* p1 = &nullptr; // 编译报错，不允许对nullptr做取地址运算

• 对指针做空指针判断bool运算，nullptr运算结果为false，例如：

int * p = nullptr;    // nullptr可以赋值给int*
if (!p) 
{
	std::cout << "p空指针运算结果为false..";
}

• nullptr内存大小等同于void*，也就是说sizeof(nullptr) === sizeof(void*)，例如：

if (sizeof(nullptr) == sizeof(void*))
{
	std::cout << "sizeof(nullptr) == sizeof(void*)\n";
}

• 为向后兼容，C++11依然允许使用NULL表示空指针，因此表达式nullptr == NULL为true，但是nullptr并不是0。也不能隐式转换为整数。

if (nullptr == NULL)
{
	std::cout << "nullptr == NULL为true \n";
}

nullptr_t

nullptr_t数据类型存在于头文件 ，具体声明：

#ifdef __cplusplus
namespace std
{
    typedef decltype(nullptr) nullptr_t;
}

using ::std::nullptr_t;
#endif

C++标准允许我们通过nullptr_t定义自己的nullptr，而且任何nullptr_t对象与nullptr，作==运算均为true，作!=运算均为false。例如：

std::nullptr_t n = std::nullptr_t();
if (n == nullptr)
{
	std::cout << "n == nullptr is true\n";
}

if (!(n != nullptr))
{
	std::cout << "n != nullptr is false\n";
}

(n == nullptr) is true
(n != nullptr) is false

nullptr_t的实现

基于上述nullptr和nullptr_t的讨论分析，笔者总结出nullptr_t的可能实现：

namespace ptr
{
struct nullptr_t
{
	void* __lx;

	inline constexpr nullptr_t() : __lx(0) {}
	inline constexpr nullptr_t(int) : __lx(0) {}

	template <class _Tp>
	inline constexpr operator _Tp* () const { return 0; }

	template <class _Tp, class _Up>
	inline constexpr operator _Tp _Up::* () const { return 0; }

    nullptr_t* operator&() const = delete;

	friend inline constexpr bool operator==(nullptr_t, nullptr_t) { return true; }
	friend inline constexpr bool operator!=(nullptr_t, nullptr_t) { return false; }
};

inline constexpr nullptr_t __get_nullptr_t() { return nullptr_t(0); }

#define nullptr __get_nullptr_t()
}

根据nullptr和nullptr_t的特性，可以逐个验证：

int * p = ptr::nullptr;    // nullptr可以赋值给int*
ptr::nullptr_t&& n = ptr::nullptr; // nullptr可以赋值给std::nullptr_t右值引用
ptr::nullptr_t* pp = &ptr::nullptr;  // 编译报错，“ptr::nullptr_t *ptr::nullptr_t::operator &(void) const”: 尝试引用已删除的函数

ptr::nullptr_t nn = ptr::nullptr_t();
if (nn == ptr::nullptr)
{
	std::cout << "(n == nullptr) is true\n";
}

if (!(nn != ptr::nullptr))
{
	std::cout << "(n != nullptr) is false\n";
}

if (ptr::nullptr == NULL)
{
	std::cout << "nullptr == NULL为true \n";
}

nullptr的好处 解决整数0和空指针混淆

在C++11之前，NULL就是整数0，因此NULL既可表示整数0，也可表示空指针。这有时候会给我带来
一些混淆。例如：

void foo(int) {}
void foo(int*) {}

foo(0);     // 调用foo(int)而不是foo(int*)
foo(NULL);  // 如果NULL是0，则调用foo(int);

我们期望foo(NULL)调用函数是 foo(int*)，但是实际上调用的是foo(int)。而nullptr可以很好的解决此问题。这也是nullptr产生的动机。

捕获空指针

空指针nullptr的类型为nullptr_t，我们可以通过nullptr_t类型捕获空指针。例如：

try 
{
	...
	throw nullptr;
}
catch (nullptr_t)
{
	...
}

但是，如果throw NULL，那我们用什么类型来catch呢？用int类型来catch？是不是有点别扭。

总结

nullptr是一个有类型的右值常量，可很好的解决了整数0和空指针的问题。所以建议大家在开发过程中优先使用nullptr替代NULL。