c++指针和自由储存空间

c++指针和储存空间

本博文为本人阅读c++ primer plus第4章复合类型后做的小笔记，仅记录本人不熟悉或者容易犯错的地方

概述

1. 指针是一个变量，储存的是值得地址，而不是值本身
2. 地址运算符&，可以获得变量的所在地址
3. 指针名表示的是地址，*运算符被称为间接值(indirect value)或者解除引用(dereferencing)；简单来说，使用*可以获得指针指向的内存地址的值
4. 由指针的说明可以知道，指针的大小和机器的虚拟地址位数相同(因为它的值是地址)，例如本人的电脑为64位，那么指针大小为8个字节(可用sizeof自己验证，顺便多说一句，内存中可寻址的最小单位为字节，sizeof显示的值单位为字节);

声明和初始化指针

1. 声明(int类型指针): int* ptr;易错：int* ptr1, ptr2;创建一个指针ptr1和一个int变量ptr2

2. 初始化

    int val = 2;
    ptr = &val;
   

指针的危险

1. 在c++中创建指针，计算机会分配用来储存地址的内存，但不会分配用来储存指针所指的数据的内存

    long * fellow;
    *fellow = 233; // a problem
   

2. 问题原因

   • 没有给fellow赋值一个地址，那么我们是不知道它现在指向哪个地方的，然后我们立刻将指向内存的位置赋值为233，那么233究竟在哪里呢？不知道，可以肯定的是这个位置已经储存了数据233
   • 假设fellow的值为1200，那么233会储存在内存地址为1200的位置，但是这个1200的位置很可能不是要储存233的内存位置

3. 启示1：一定要在指针使用*前将指针初始化为一个确定的、适当的地址

使用new动态分配内存

1. 指针的真正用武之地就是在运行时分配未命名的内存来储存值；c语言中使用malloc来分配，c++使用new运算符

2. 事例:int * pn = new int

   • new运算符根据类型确定需要多少字节的内存(此例子为4字节)，然后找到这样的内存，返回地址
   • 地址被赋给pn，pn是被声明为指向int的指针

3. 使用new分配的内存块通常和常规变量声明分配的内存块不同

   • 常规变量(如int val)：储存在栈(stack)中
   • new分配的变量(如int* p = new int)：储存在称为堆(heap)或自由储存区(free store)中

4. c++中，值为0的指针称为空指针(null pointer)，c++确保空指针不会指向有效的数据，因此可以用于表示运算符或函数失败(如内存耗尽，无法再使用new分配内存)

使用delete释放内存

1. 使用delete，后面加上指向内存块的指针(这些内存块最初由new分配);如下代码所示，这只会释放指针指向的内存，但是不会删除指针ps本身

    int * ps = new int;
    ...
    delete ps;
   

2. 注意

   • 一定要配对使用new和delete，否则会发生内存泄漏(memory leak)，即被分配的内存再也不能使用了
   • 不要尝试释放已经释放的内存块，这样做带来的结果是不确定的
   • 只能用delete释放使用new分配的内存，但是对空指针使用delete是安全的

使用new来创建动态数组

1. 在编译时给数组分配内存称为静态联编(static binding)，意味着数组是在编译时加入到程序的

2. 在程序运行时选择数组的长度，这称为动态联编(dynamic binding)，意味着数组是在程序运行时创建的，这种数组称为动态数组

3. 创建动态数组例子:int * ps = new int[10];

   • new运算符返回第一个元素的地址，该地址被赋给ps

4. 释放数组:delete [] ps;

   • []告诉程序应该释放整个数组，不仅仅是指针指向的元素

5. 以上面的例子来说，编译器不会对ps指针指向10个整数中的第一个这种情况进行跟踪，我们需要跟踪内存块中的元素个数

6. 不能使用sizeof运算符确定动态分配的数组包含的字节数

7. 动态数组的使用和静态联编情况下的数组使用是相似的，用下标即可，例如ps[1],指针和数组这种奇妙的关系下面来学习一下

指针、数组和指针算术

1. 指针变量增加1，增加的量等于它指向的类型的字节数，如指向double的指针增加1，那么数值增加8(如果系统使用8个字节储存double)，这种结果是很好理解的。

2. c++将数组名解释为地址

   • c++将数组名解释为数组第一个元素的地址
   • 数组存在这个等式: foobar = &foobar[0]
   • 形如foobar[n]的表达式(n为常量)，c++解释为*(foobar + n)，意味着先找到第n个元素的地址，再找到储存在那里的值；同理，对于int * ps = new int[10]，ps[n]也会解释为*(ps + n).(0 <= n <= 9)

3. 虽然指针和数组名都可以表示地址，但是它们是有区别的

   • 指针的值可以修改，但是数组名是常量不能修改
   • 对数组使用sizeof运算符得到的是整个数组的大小，但是对指针应用sizeof得到的是指针的大小

4. 数组名被解释为其第一个元素的地址，但是对数组名用&运算符，得到的是整个数组的地址，可以尝试一下例子

    int a[3];
    cout << a << endl;
    cout << &a << endl;
    cout << a + 1 << endl;
    cout << &a + 1 << endl;
   

实际上，a是一个int指针(*int)，但是&a是一个指向包含3个元素的int数组(int(*)a[3])
5. 声明指向整个数组的指针:int (*ps)[3] = &a;

- `()`不可省略，如果省略，由优先级规则将使得ps先和`[3]`结合，导致ps是一个int指针数组，含3个元素
- 要描述类型，可以去掉声明中的变量名，如ps的类型是`int(*)[20]`
- 由于ps被设置为`&a`，故`*ps`和a等价，`(*ps)[0]`为a数组的第一个元素

指针和字符串

1. 先看简单的例子

    char f[10] = "rose";
    cout << f << "s are red\n";
   

2. 可以知道：

   • f是一个char的地址。这也意味着可以将指向char的指针变量作为cout的参数，因为它也是地址
   • c++中用括号括起来的字符串像数组名一样，也是第一个元素的地址，此代码不会将整个字符串发送到cout，只会发送该字符串的地址
   • 因此：数组的字符串、用括号括起来的字符串常量、指针所描述的字符串的处理方式是一样的，都会传递它们的地址

3. 字符串输入：应使用已经分配的内存地址，可以是数组名，也可以是new初始化过的指针

4. 显示字符串地址

    char a[] = "test";
    cout << (int *) a << endl; // show address
    char* b = a;
   

   • 需要强制类型转换为int指针类型，否则会打印出字符串的值

   • 将a赋给b并不会赋值字符串，而只是复制地址，两个指针都是指向了同一个内存单元

   • 如果像得到自己的一份副本，可以

       b = new char[strlen(a)+1];
       strcpy(b, a);
     

使用new创建动态结构

1. 创建:person * p = new person;

2. 访问结构成员(如name):

   • p->name
   • (*p).name 因为如果p是指向结构的指针，那么*p就是被指向的值，结构本身

自动存储、静态存储、动态存储

1. c++管理内存的方式

   • 自动存储
   • 静态存储
   • 动态存储(自由存储空间或堆)
   • 线程存储(不作介绍)

下面作简单的说明，详细内容不在本章内容

自动存储

1. 函数内存定义的常规变量使用自动存储空间，称为自动变量(automatic variable)，它们在函数调用时自动产生，函数结束时消亡
2. 自动变量是局部变量，作用域为代码块
3. 自动变量通常存储在栈中，LIFO(last in first out)的方式，程序执行过程中，栈不断增大或者减少

静态存储

1. 静态存储整个程序执行期间都存在

2. 声明方式

   • 函数外定义
   • 声明变量时使用static关键字:static double fee = 1.2;

动态存储

1. new和delete的方式更加灵活，它们管理一个内存池，在c++中称为自由存储区(free store)或者堆(heap)，该内存池中用于静态变量和自动变量的内存是分开的
2. 使用new的数据的生命周期不受程序或者函数的生存时间控制

指针数组

1. 创建并初始化:person * class[3] = {&p1, &p2, &p3};

   • 上述创建了一个person类型的指针数组class，每一个元素都是指向一个person结构体的指针

2. 访问成员:class[n]->name;(0 <= n <= 2)

3. 还可以创建指向上述数组的指针:person ** t = class;

   • 由于class是一个数组，因此它的数组名是数组第一个元素的地址，而这个元素是一个指针，它指向一个指向person类型的指针
   • t的值就是class数组一个元素的地址

4. 访问成员(以name为例子):(*(t+n))->name;

5. 如果不理解上面的内容，个人认为可以大致画出一下几种情况在内存中的情况，然后就能很好理解了(可以先用代码输出某一个变量的地址或者值)

    int a[2];
    int * b = new int[2];
    int ** c = new int * [2];
    for (int i = 0; i < 2; i++) c[i] = new int[2];
    int d[2][2];