C/C++杂记:NULL与0的区别、nullptr的来历

某些时候，我们需要将指针赋值为空指针，以防止野指针。

有人喜欢使用NULL作为空指针常量使用，例如：int* p = NULL;。

也有人直接使用0值作为空指针常量，例如：int* p = 0;。

前者可能觉得：NULL作为空指针常量，名字很形象，可读性较强。

后者可能觉得：NULL并不是C/C++语言的关键字，而是一个在标准库头文件<stddef.h>中定义的宏，因此要使用NULL，可能需要直接或简介地包含<stddef.h>头文件，比较麻烦。

问题一：NULL与常数0值有何区别？

要弄清楚这个问题，我们采用问与答的形式来描述。

问：NULL到底是什么？

答：NULL是一个宏。

问：它的值是多少？

答：C/C++标准规定：它的值是一个空指针常量（null pointer constant），由实现定义。^#1,#2

问：什么样的值才能称之为空指针常量？

答：C语言中常数0和(void*)0都是空指针常量；C++中（暂且忽略C++11）常数0是，而(void*)0 不是。^#3,#4

问：NULL宏是在哪里定义的？

答：通常是在C标准库的<stddef.h>头文件中，不过别的头文件中可能也有定义。

问：一般编译器的<stddef.h>头文件中NULL宏是如何定义的？

答：以gcc或clang编译器为例，NULL的定义大致如下（稍有简化）：

#if defined(__cplusplus)
# define NULL 0    // C++中使用0作为NULL的值
#else
# define NULL ((void *)0)    // C中使用((void *)0)作为NULL的值
#endif

问：为什么C中(void*)0是空指针常量，而C++中不是？

答：因为C语言中任何类型的指针都可以（隐式地）转换为void*型，反过来也行，而C++中void*型不能隐式地转换为别的类型指针（例如：int*p = (void*)0;使用C++编译器编译会报错）。^#5,#6

问：既然C/C++标准中，常数0都可作为空指针常量，为什么不统一使用0？

答：个人觉得由于(void*)0更能体现指针的意义，而常数0更多的时候是用作整数。因此，C语言中NULL定义选择了(void*)0。（仅供参考）

问题二：C++11中为什么要引入nullptr？

考虑着这样一个函数重载的情形：

#include <stddef.h>
void foo(int) {}     // #1
void foo(char*) {}   // #2
int main {
    foo(NULL); // 调用#1还是#2？
}

从字面上来讲，NULL是个空指针常量，我们可能会觉得：既然是个指针，那么应该调用#2。但事实上调用的却是#1，因为C++中NULL扩展为常数0，它是int型。

根本原因就是：常数0既是整数常量，也是空指针常量。

为了解决这种二义性，C++11标准引入了关键字nullptr，它作为一种空指针常量。^#7例如：

void foo(int) {}     // #1
void foo(char*) {}   // #2
int main {
    foo(nullptr); // 它会毫无异议地调用#2
}

附注：

[#1] C99: 7.17-p3:

The macros are

NULL

which expands to an implementation-defined null pointer constant; and ...

[#2] C++03: 18.1-p4:

The macro NULL is an implementation-defined C + + null pointer constant in this International Standard(4.10).

[#3] C99: 6.3.2.3-p3:

An integer constant expression with the value 0, or such an expression cast to type void *, is called a null pointer constant.

[#4] C++03: 4.10-p1:

A null pointer constant is an integral constant expression (5.19) rvalue of integer type that evaluates to zero.

[#5] C99: 6.3.2.3-p1:

A pointer to void may be converted to or from a pointer to any incomplete or object type. A pointer to any incomplete or object type may be converted to a pointer to void and back again; the result shall compare equal to the original pointer.

[#6] C++03: 4.10-p2:

An rvalue of type “pointer to cv T,” where T is an object type, can be converted to an rvalue of type “pointer to cv void.”

[#7] C++11: 4.10-p1:

A null pointer constant is an integral constant expression (5.19) prvalue of integer type that evaluates to zero or a prvalue of type std::nullptr_t.

参考：

(1) C99/C++03/C++11标准文档