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分类: C/C++

2007-09-05 16:09:12

1、引用与指针的比较
    引用是C++中的概念,以下程序中,n是m的一个引用(reference),m是被引用物(referent)。
    int m;
    int &n = m;
    n相当于m的别名(绰号),对n的任何操作就是对m的操作。例如有人名叫王小毛,他的绰号是“三毛”。说“三毛”怎么怎么的,其实就是对王小毛说三道四。所以n既不是m的拷贝,也不是指向m的指针,其实n就是m它自己。

    引用的一些规则如下:
    (1)引用被创建的同时必须被初始化(指针则可以在任何时候被初始化)。
    (2)不能有NULL引用,引用必须与合法的存储单元关联(指针则可以是NULL)。
    (3)一旦引用被初始化,就不能改变引用的关系(指针则可以随时改变所指的对象)。

    以下示例程序中,k被初始化为i的引用。语句k = j并不能将k修改成为j的引用,只是把k的值改变成为6。由于k是i的引用,所以i的值也变成了6。
    int i = 5;
    int j = 6;
    int &k = i;
    k = j;    // k和i的值都变成了6;

    上面的程序看起来象在玩文字游戏,没有体现出引用的价值。引用的主要功能是传递函数的参数和返回值。C++语言中,函数的参数和返回值的传递方式有三种:值传递、指针传递和引用传递。

    以下是“值传递”的示例程序。由于Func1函数体内的x是外部变量n的一份拷贝,改变x的值不会影响n, 所以n的值仍然是0。
    void Func1(int x)
    {
        x = x + 10;
    }
    …
    int n = 0;
    Func1(n);
    cout << “n = ” << n << endl;    // n = 0  

    以下是“指针传递”的示例程序。由于Func2函数体内的x是指向外部变量n的指针,改变该指针的内容将导致n的值改变,所以n的值成为10。
    void Func2(int *x)
    {
        (*x) = (*x) + 10;
    }
    …
    int n = 0;
    Func2(&n);
    cout << “n = ” << n << endl;        // n = 10

    以下是“引用传递”的示例程序。由于Func3函数体内的x是外部变量n的引用,x和n是同一个东西,改变x等于改变n,所以n的值成为10。
    void Func3(int &x)
    {
        x = x + 10;
    }
    …
    int n = 0;
    Func3(n);
    cout << “n = ” << n << endl;      // n = 1

    对比上述三个示例程序,会发现“引用传递”的性质象“指针传递”,而书写方式象“值传递”。实际上“引用”可以做的任何事情“指针”也都能够做,为什么还要“引用”这东西?
    答案是“用适当的工具做恰如其分的工作”。
    指针能够毫无约束地操作内存中的如何东西,尽管指针功能强大,但是非常危险。就象一把刀,它可以用来砍树、裁纸、修指甲、理发等等,谁敢这样用?
    如果的确只需要借用一下某个对象的“别名”,那么就用“引用”,而不要用“指针”,以免发生意外。比如说,某人需要一份证明,本来在文件上盖上公章的印子就行了,如果把取公章的钥匙交给他,那么他就获得了不该有的权利。

2、内存管理
    内存分配方式有三种:
      
(1)从静态存储区域分配。内存在程序编译的时候就已经分配好,这块内存在程序的整个运行期间都存在。例如全局变量,static变量。
      
(2)在栈上创建。在执行函数时,函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建,函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中,效率很高,但是分配的内存容量有限。
      
(3)从堆上分配,亦称动态内存分配。程序在运行的时候用mallocnew申请任意多少的内存,程序员自己负责在何时用freedelete释放内存。动态内存的生存期由我们决定,使用非常灵活,但问题也最多。
    常见内存的错误和对策:
       (1)
内存分配未成功,却使用了它。
      
常用解决办法是,在使用内存之前检查指针是否为NULL。如果指针p是函数的参数,那么在函数的入口处用assert(p!=NULL)进行检查。如果是用malloc或new来申请内存,应该用if(p==NULL) 或if(p!=NULL)进行防错处理。
       (2)
内存分配虽然成功,但是尚未初始化就引用它。
      
犯这种错误主要有两个起因:一是没有初始化的观念;二是误以为内存的缺省初值全为零,导致引用初值错误(例如数组)。
      
内存的缺省初值究竟是什么并没有统一的标准,尽管有些时候为零值,我们宁可信其无不可信其有。所以无论用何种方式创建数组,都别忘了赋初值,即便是赋零值也不可省略,不要嫌麻烦。
       (3)
内存分配成功并且已经初始化,但操作越过了内存的边界。
       
例如在使用数组时经常发生下标“多1”或者“少1”的操作。特别是在for循环语句中,循环次数很容易搞错,导致数组操作越界。
      
(4)忘记了释放内存,造成内存泄露。
       
含有这种错误的函数每被调用一次就丢失一块内存。刚开始时系统的内存充足,你看不到错误。终有一次程序突然死掉,系统出现提示:内存耗尽。
       
动态内存的申请与释放必须配对,程序中mallocfree的使用次数一定要相同,否则肯定有错误。(new/delete同理)。
       (5)
释放了内存却继续使用它。
      
有三种情况:
       a、
程序中的对象调用关系过于复杂,实在难以搞清楚某个对象究竟是否已经释放了内存,此时应该重新设计数据结构,从根本上解决对象管理的混乱局面。
       b、
函数的return语句写错了,注意不要返回指向“栈内存”的“指针”或者“引用”,因为该内存在函数体结束时被自动销毁。
       c、
使用freedelete释放了内存后,没有将指针设置为NULL。导致产生“野指针”。

    好的习惯:
      
malloc或new申请内存之后,应该立即检查指针值是否为NULL。防止使用指针值为NULL的内存。
      
不要忘记为数组和动态内存赋初值。防止将未被初始化的内存作为右值使用。
      
避免数组或指针的下标越界,特别要当心发生“多1”或者“少1”操作。
      
动态内存的申请与释放必须配对,防止内存泄漏。
      
freedelete释放了内存之后,立即将指针设置为NULL,防止产生“野指针”。

3、指针与数组对比
   
数组要么在静态存储区被创建(如全局数组),要么在栈上被创建。数组名对应着(而不是指向)一块内存,其地址与容量在生命期内保持不变,只有数组的内容可以改变。
   
指针可以随时指向任意类型的内存块,它的特征是“可变”,所以我们常用指针来操作动态内存。指针远比数组灵活,但也更危险。
   
以下示例中,字符数组a的容量是6个字符,其内容为hello\0a的内容可以改变,如a[0]= ‘X’。指针p指向常量字符串“world”(位于静态存储区,内容为world\0),常量字符串的内容是不可以被修改的。从语法上看,编译器并不觉得语句p[0]= ‘X’有什么不妥,但是该语句企图修改常量字符串的内容而导致运行错误。
    char a[] = “hello”;
    a[0] = ‘X’;
    cout << a << endl;
    char *p = “world”;     // 注意p指向常量字符串
    p[0] = ‘X’;             // 编译器不能发现该错误   
    cout << p << endl;

   
不能对数组名进行直接复制与比较。以下示例中,若想把数组a的内容复制给数组b,不能用语句 b = a ,否则将产生编译错误。应该用标准库函数strcpy进行复制。同理,比较b和a的内容是否相同,不能用if(b==a) 来判断,应该用标准库函数strcmp进行比较。
   
语句p = a 并不能把a的内容复制指针p,而是把a的地址赋给了p。要想复制a的内容,可以先用库函数malloc为p申请一块容量为strlen(a)+1个字符的内存,再用strcpy进行字符串复制。同理,语句if(p==a) 比较的不是内容而是地址,应该用库函数strcmp来比较。
    // 数组…
    char a[] = "hello";
    char b[10];
    strcpy(b, a);           // 不能用   b = a;
    if(strcmp(b, a) == 0)   // 不能用  if (b == a)
    …

    // 指针…
    int len = strlen(a);
    char *p = (char *)malloc(sizeof(char)*(len+1));
    strcpy(p,a);            // 不要用 p = a;
    if(strcmp(p, a) == 0)   // 不要用 if (p == a)
    …

   
用运算符sizeof可以计算出数组的容量(字节数)。以下示例中,sizeof(a)的值是12(注意别忘了\0)。指针p指向a,但是sizeof(p)的值却是4。这是因为sizeof(p)得到的是一个指针变量的字节数,相当于sizeof(char*),而不是p所指的内存容量。C++/C语言没有办法知道指针所指的内存容量,除非在申请内存时记住它。
    char a[] = "hello world";
    char *p  = a;
    cout<< sizeof(a) << endl;   // 12字节
    cout<< sizeof(p) << endl;   // 4字节

   
注意当数组作为函数的参数进行传递时,该数组自动退化为同类型的指针。下面的示例中,不论数组a的容量是多少,sizeof(a)始终等于sizeof(char *)。
    void Func(char a[100])
    {
        cout<< sizeof(a) << endl;   // 4字节而不是100字节
    }

4、指针参数是如何传递给内存的
   
如果函数的参数是一个指针,不要指望用该指针去申请动态内存。示例中,Test数的语句GetMemory(str, 200)并没有使str获得期望的内存,str依旧是NULL,为什么?
    void GetMemory(char *p, int num)
    {
        p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
    }
    void Test(void)
    {
        char *str = NULL;
        GetMemory(str, 100);    // str 仍然为 NULL
        strcpy(str, "hello");   // 运行错误
    }

   
毛病出在函数GetMemory中。编译器总是 要为函数的每个参数制作临时副本,指针参数p的副本是 _p,编译器使 _p = p。如果函数体内的程序修改了_p的内容,就导致参数p的内容作相应的修改。这就是指针可以用作输出参数的原因。在本例中,_p申请了新的内存,只是把 _p所指的内存地址改变了,但是p丝毫未变。所以函数GetMemory并不能输出任何东西。事实上,每执行一次GetMemory就会泄露一块内存,因 为没有用free释放内存。
   
如果非得要用指针参数去申请内存,那么应该改用“指向指针的指针”,见下面的示例
    void GetMemory2(char **p, int num)
    {
        *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
    }

    void Test2(void)
    {
        char *str = NULL;
        GetMemory2(&str, 100);  // 注意参数是 &str,而不是str
        strcpy(str, "hello"); 
        cout<< str << endl;
        free(str);
    }
   
由于“指向指针的指针”这个概念不容易理解,我们可以用函数返回值来传递动态内存。这种方法更加简单:
    char *GetMemory3(int num)
    {
        char *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
        return p;
    }
    void Test3(void)
    {
        char *str = NULL;
        str = GetMemory3(100);
        strcpy(str, "hello");
        cout<< str << endl;
        free(str);
    }

   
用函数返回值来传递动态内存这种方法虽然好用,但是常常有人把return语句用错了。这里强调不要用return语句返回指向“栈内存”的指针,因为该内存在函数结束时自动消亡。见下例:
    char *GetString(void)
    {
        char p[] = "hello world";
        return p;   // 编译器将提出警告
    }

    void Test4(void)
    {
        char *str = NULL;
        str = GetString();  // str 的内容是垃圾
        cout<< str << endl;
    }

   
用调试器逐步跟踪Test4,发现执行str = GetString语句后str不再是NULL指针,但是str的内容不是hello world而是垃圾。
   
如果把上例改写成这样,会怎么样?
    char *GetString2(void)
    {
        char *p = "hello world";
        return p;
    }

    void Test5(void)
    {
        char *str = NULL;
        str = GetString2();
        cout<< str << endl;
    }  
   
函数Test5运行虽然不会出错,但是函数GetString2的设计概念却是错误的。因为GetString2内的“hello world”是常量字符串,位于静态存储区,它在程序生命期内恒定不变。无论什么时候调用GetString2,它返回的始终是同一个“只读”的内存块。

5、free和delete把指针怎么了
    别看free和delete的名字恶狠狠的(尤其是delete),它们只是把指针所指的内存给释放掉,但并没有把指针本身干掉。
    用调试器跟踪下例,发现指针p被free以后其地址仍然不变(非NULL),只是该地址对应的内存是垃圾,p成了“野指针”。如果此时不把p设置为NULL,会让人误以为p是个合法的指针。
    如果程序比较长,我们有时记不住p所指的内存是否已经被释放,在继续使用p之前,通常会用语句if (p != NULL)进行防错处理。很遗憾,此时if语句起不到防错作用,因为即便p不是NULL指针,它也不指向合法的内存块。
    char *p = (char *) malloc(100);
    strcpy(p, “hello”);
    free(p);        // p 所指的内存被释放,但是p所指的地址仍然不变
    …
    if(p != NULL)   // 没有起到防错作用
    {
        strcpy(p, “world”);  // 出错
    }

6、动态内存会被释放么
   
函数体内的局部变量在函数结束时自动消亡。很多人误以为示例7-6是正确的。理由是p是局部的指针变量,它消亡的时候会让它所指的动态内存一起完蛋。这是错觉!
    void Func(void)
    {
        char *p = (char *) malloc(100); // 动态内存会自动释放吗?
    }
   
我们发现指针有一些“似是而非”的特征:
   
1)指针消亡了,并不表示它所指的内存会被自动释放。
   
2)内存被释放了,并不表示指针会消亡或者成了NULL指针。
    这表明释放内存并不是一件可以草率对待的事。也许有人不服气,一定要找出可以草率行事的理由:
   
如果程序终止了运行,一切指针都会消亡,动态内存会被操作系统回收。既然如此,在程序临终前,就可以不必释放内存、不必将指针设置为NULL了。终于可以偷懒而不会发生错误了吧?
   
想得美。如果别人把那段程序取出来用到其它地方怎么办?

7、杜绝“野指针”
    “野指针”不是NULL指针,是指向“垃圾”内存的指针。人们一般不会错用NULL指针,因为用if语句很容易判断。但是“野指针”是很危险的,if语句对它不起作用。
    “野指针”的成因主要有两种:
    (1)指针变量没有被初始化。任何指针变量刚被创建时不会自动成为NULL指针,它的缺省值是随机的,它会乱指一气。所以,指针变量在创建的同时应当被初始化,要么将指针设置为NULL,要么让它指向合法的内存。例如
    char *p = NULL;
    char *str = (char *) malloc(100);
    (2)指针p被free或者delete之后,没有置为NULL,让人误以为p是个合法的指针。前面介绍过的。
    (3)指针操作超越了变量的作用范围。这种情况让人防不胜防,示例程序如下:
    class A
    { 
        public:
        void Func(void)
        {
            cout << “Func of class A” << endl;        
        }
    };
    void Test(void)
    {
        A  *p;
            {
            A  a;
            p = &a;    // 注意 a 的生命期
        }
            p->Func();      // p是“野指针”
    }

    函数Test在执行语句p->Func()时,对象a已经消失,而p是指向a的,所以p就成了“野指针”。但奇怪的是我运行这个程序时居然没有出错,这可能与编译器有关。

8、有了malloc/free为什么还要new/delete?
    malloc与free是C++/C语言的标准库函数,new/delete是C++的运算符。它们都可用于申请动态内存和释放内存。
    对于非内部数据类型的对象而言,光用maloc/free无法满足动态对象的要求。对象在创建的同时要自动执行构造函数,对象在消亡之前要自动执行析构函数。由于malloc/free是库函数而不是运算符,不在编译器控制权限之内,不能够把执行构造函数和析构函数的任务强加于malloc/free。
    因此C++语言需要一个能完成动态内存分配和初始化工作的运算符new,以及一个能完成清理与释放内存工作的运算符delete。注意new/delete不是库函数。
    我们先看一看malloc/free和new/delete如何实现对象的动态内存管理,见下例:
    class Obj
    {
    public :
        Obj(void){ cout << “Initialization” << endl; }
        ~Obj(void){ cout << “Destroy” << endl; }
        void  Initialize(void){ cout << “Initialization” << endl; }
        void  Destroy(void){ cout << “Destroy” << endl; }
    };

    void UseMallocFree(void)
    {
        Obj  *a = (obj *)malloc(sizeof(obj));   // 申请动态内存
        a->Initialize();                        // 初始化
        //…
        a->Destroy();   // 清除工作
        free(a);        // 释放内存
    }

    void UseNewDelete(void)
    {
        Obj  *a = new Obj;  // 申请动态内存并且初始化
        //…
        delete a;           // 清除并且释放内存
    }

    类Obj的函数Initialize模拟了构造函数的功能,函数Destroy模拟了析构函数的功能。函数UseMallocFree中,由于malloc/free不能执行构造函数与析构函数,必须调用成员函数Initialize和Destroy来完成初始化与清除工作。函数UseNewDelete则简单得多。
    所以我们不要企图用malloc/free来完成动态对象的内存管理,应该用new/delete。由于内部数据类型的“对象”没有构造与析构的过程,对它们而言malloc/free和new/delete是等价的。
    既然new/delete的功能完全覆盖了malloc/free,为什么C++不把malloc/free淘汰出局呢?这是因为C++程序经常要调用C函数,而C程序只能用malloc/free管理动态内存。
    如果用free释放“new创建的动态对象”,那么该对象因无法执行析构函数而可能导致程序出错。如果用delete释放“malloc申请的动态内存”,理论上讲程序不会出错,但是该程序的可读性很差。所以new/delete必须配对使用,malloc/free也一样。

9、内存耗尽怎么办?
    如果在申请动态内存时找不到足够大的内存块,malloc和new将返回NULL指针,宣告内存申请失败。通常有三种方式处理“内存耗尽”问题。
    (1)判断指针是否为NULL,如果是则马上用return语句终止本函数。例如:
    void Func(void)
    {
        A  *a = new A;
        if(a == NULL)
        {
            return;
        }
        …
    }

    (2)判断指针是否为NULL,如果是则马上用exit(1)终止整个程序的运行。例如:
    void Func(void)
    {
        A  *a = new A;
        if(a == NULL)
        {
            cout << “Memory Exhausted” << endl;
            exit(1);
        }
        …
    }

    (3)为new和malloc设置异常处理函数。例如Visual C++可以用_set_new_hander函数为new设置用户自己定义的异常处理函数,也可以让malloc享用与new相同的异常处理函数。详细内容请参考C++使用手册。

    上述(1)(2)方式使用最普遍。如果一个函数内有多处需要申请动态内存,那么方式(1)就显得力不从心(释放内存很麻烦),应该用方式(2)来处理。

    很多人不忍心用exit(1),问:“不编写出错处理程序,让操作系统自己解决行不行?”

    不行。如果发生“内存耗尽”这样的事情,一般说来应用程序已经无药可救。如果不用exit(1) 把坏程序杀死,它可能会害死操作系统。道理如同:如果不把歹徒击毙,歹徒在老死之前会犯下更多的罪。
   
    有一个很重要的现象要告诉大家。对于32位以上的应用程序而言,无论怎样使用malloc与new,几乎不可能导致“内存耗尽”。我在Windows 98下用Visual C++编写了测试程序,见示例7-9。这个程序会无休止地运行下去,根本不会终止。因为32位操作系统支持“虚存”,内存用完了,自动用硬盘空间顶替。我只听到硬盘嘎吱嘎吱地响,Window 98已经累得对键盘、鼠标毫无反应。

    我可以得出这么一个结论:对于32位以上的应用程序,“内存耗尽”错误处理程序毫无用处。这下可把Unix和Windows程序员们乐坏了:反正错误处理程序不起作用,我就不写了,省了很多麻烦。

    在此,必须强调:不将错误处理将导致程序的质量很差,千万不可因小失大。
    void main(void)
    {
        float *p = NULL;
        while(TRUE)
        {
            p = new float[1000000];
            cout << “eat memory” << endl;
            if(p==NULL)
            exit(1);
        }
    }

10、malloc/free 的使用要点
    函数malloc的原型如下:
        void * malloc(size_t size);
    用malloc申请一块长度为length的整数类型的内存,程序如下:
        int  *p = (int *) malloc(sizeof(int) * length);
    我们应当把注意力集中在两个要素上:“类型转换”和“sizeof”。
        malloc返回值的类型是void *,所以在调用malloc时要显式地进行类型转换,将void * 转换成所需要的指针类型。
        malloc函数本身并不识别要申请的内存是什么类型,它只关心内存的总字节数。我们通常记不住int, float等数据类型的变量的确切字节数。例如int变量在16位系统下是2个字节,在32位下是4个字节;而float变量在16位系统下是4个字节,在32位下也是4个字节。最好用以下程序作一次测试:
        cout << sizeof(char) << endl;
        cout << sizeof(int) << endl;
        cout << sizeof(unsigned int) << endl;
        cout << sizeof(long) << endl;
        cout << sizeof(unsigned long) << endl;
        cout << sizeof(float) << endl;
        cout << sizeof(double) << endl;
        cout << sizeof(void *) << endl;
    在malloc的“()”中使用sizeof运算符是良好的风格,但要当心有时我们会昏了头,写出 p = malloc(sizeof(p))这样的程序来。

    函数free的原型如下:
        void free( void * memblock );
    为什么free函数不象malloc函数那样复杂呢?这是因为指针p的类型以及它所指的内存的容量事先都是知道的,语句free(p)能正确地释放内存。如果p是NULL指针,那么free对p无论操作多少次都不会出问题。如果p不是NULL指针,那么free对p连续操作两次就会导致程序运行错误。

11、new/delete 的使用要点
    运算符new使用起来要比函数malloc简单得多,例如:
        int  *p1 = (int *)malloc(sizeof(int) * length);
        int  *p2 = new int[length];
    这是因为new内置了sizeof、类型转换和类型安全检查功能。对于非内部数据类型的对象而言,new在创建动态对象的同时完成了初始化工作。如果对象有多个构造函数,那么new的语句也可以有多种形式。例如
    class Obj
    {
        public :
        Obj(void);      // 无参数的构造函数
        Obj(int x);     // 带一个参数的构造函数
        …
    }

    void Test(void)
    {
        Obj  *a = new Obj;
        Obj  *b = new Obj(1);    // 初值为1
        …
        delete a;
    delete b;
    }

    如果用new创建对象数组,那么只能使用对象的无参数构造函数。例如
        Obj  *objects = new Obj[100];    // 创建100个动态对象
    不能写成:
        Obj  *objects = new Obj[100](1);// 创建100个动态对象的同时赋初值1
    在用delete释放对象数组时,留意不要丢了符号‘[]’。例如
        delete []objects;    // 正确的用法
        delete objects;    // 错误的用法
    后者相当于delete objects[0],漏掉了另外99个对象。

12、2点教训:
    (1)越是怕指针,就越要使用指针。不会正确使用指针,肯定算不上是合格的程序员。
    (2)必须养成“使用调试器逐步跟踪程序”的习惯,只有这样才能发现问题的本质。
   
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