C++系列第八篇 数据类型下篇 - 复合类型(指针及动态内存申请)

系列文章

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C++ 系列 第一篇 开发环境搭建(WSL 方向)-CSDN博客

C++ 系列 第二篇 你真的了解C++吗?本篇带你走进C++的世界-CSDN博客

C++ 系列 第三篇 C++程序的基本结构-CSDN博客

C++ 系列 第四篇 C++ 数据类型上篇---基本类型-CSDN博客

C++ 系列 第五篇 C++ 算术运算符及类型转换-CSDN博客

C++系列第六篇 数据类型下篇 - 复合类型(数组及字符串)-CSDN博客

C++系列第七篇 数据类型下篇 - 复合类型(结构体、共用体及枚举)-CSDN博客

前言

这一章节进行复合类型最后一部分指针的介绍,包含指针的概念及一些基本的使用注意事项,顺带会介绍动态内存申请。熟悉C编程的都知道,指针是最难理解也最容易使用出错的一种数据类型,所以我们本章尽量先把概念介绍清楚,后边会再出一章,介绍指针的一些高级应用,比如指针和数组的一致及不一致性。

什么是指针

指针是一个变量,其存储的是值的地址,而不是值本身。常规变量的地址,只需对变量应用地址运算符(&),就可以获得它的位置;例如,如果 home 是一个变量,则&home 是它的地址。使用常规变量时,值是指定的量,而地址为派生量。而指针将地址视为指定的量,而将值视为派生量。

指针用于存储值的地址。因此,指针名表示的是地址。*运算符被称为间接值或解除引用运算符,将其应用于指针,可以得到该地址处存储的值。间接值运算符和乘法使用的符号相同;C++根据上下文来确定所指的是乘法还是解除引用。

指针的声明和初始化

我们看概念之前,先通过示例直观的感受下,示例中value_ptr 是一个指针,指向了char 类型(输出时做强制转换是因为cout 默认会把char * 指针按字符串进行输出,而不是打印地址,所以我们转换成void * 输出地址)

声明

计算机需要跟踪指针指向的值的类型。例如,char 的地址与 double 的地址看上去没什么两样,但char 和 double使用的字节数是不同的,它们存储值时使用的内部格式也不同。因此,指针声明必须指定指针指向的数据的类型。例如,int *p_updates;这表明,*p_updates 的类型为 int。由于*运算符被用于指针,因此p_updates 变量本身必须是指针。我们说p_updates 指向int 类型,我们还说p_updates 的类型是指向int 的指针,或int*。可以这样说,p_updates是指针(地址),而*p_updates 是 int。

*运算符两边的空格是可选的。传统上,C 程序员使用这种格式:int *ptr;这强调*ptr 是一个int 类型的值。而很多C++程序员使用这种格式:int* ptr:这强调的是:int*是一种类型--指向 int 的指针。在哪里添加空格对于编译器来说没有任何区别,甚至可以这样做:int*ptr。 我个人还是喜欢使用C语言的风格方式,因为平常做项目基本都是C主导,C++可能是其中的一些模块代码,要遵守整个项目的编程规范。

可以用同样的句法来声明指向其他类型的指针 ,如 double * tax_ptr;由于已将tax_ptr 声明为一个指向double 的指针,因此编译器知道*tax_ptr 是一个 double 类型的值。也就是说,它知道*tax_ptr 是一个以浮点格式存储的值,这个值占据 8 个字节(在大多数系统上)。指针变量不仅仅是指针,而且是指向特定类型的指针。tax_ptr 的类型是指向 double 的指针(或double *类型),ptr是指向 int 的指针类型(或int *)。尽管它们都是指针,却是不同类型的指针。和数组一样,指针都是基于其他类型的。

初始化

可以在声明语句中初始化指针。在这种情况下,被初始化的是指针,而不是它指向的值。如开始的示例中 char *value_ptr; value_ptr = &value; 这两句代码,可以合并为 char *value_ptr = &value; 这种声明时初始化的方式。

指针很危险

创建指针时,计算机将分配用来存储地址的内存,但不会分配用来存储指针所指向的数据的内存。为数据提供空间是一个独立的步骤,C语言使用malloc 为数据存储申请空间,C++使用new 为数据存储申请空间。 不管是哪种申请方式,切记,一定要让先给指针指向正确、可用的地址空间,才能操作指针,进行写值操作,否则就是访问野指针,很容易造成进程crash。

long *ptr;
*ptr = 2233;

如上边的代码,ptr 确实是一个指针,但它指向哪里呢?上述代码没有将地址赋给ptr。那么 2233 将被放在哪里呢? 我们不知道。由于ptr没有被初始化,它可能有任何值。不管值是什么,程序都将它解释为存储223323 的地址。如果fellow 的值碰巧为 1200,计算机将把数据放在地址1200 上,即使这恰巧是程序代码的地址。fellow 指向的地方很可能并不是所要存储 223323 的地方。这种错误可能会导致一些最隐匿、最难以跟踪的bug。

指针和数字

指针不是整型,虽然计算机通常把地址当作整数来处理。从概念上看,指针与整数是截然不同的类型。整数是可以执行加、减、除等运算的数字,而指针描述的是位置,将两个地址相乘没有任何意义。从可以对整数和指针执行的操作上看,它们也是彼此不同的。因此,不能简单地将整数赋给指针。

int *pt;
pt = 0xB8000000; // type mismatch

上边的示例中,左边是指向int的指针,因此可以给它赋地址值,但右边是一个整数,这条语句没有个告诉程序,这个数字是一个地址,C99之前,C语言允许这样赋值。但C++在类型一致方面要求更严格,编译器将显示一条错误消息,通告类型不匹配。要将数字值作为地址来使用,应通过强制类型转换将数字转换为适当的地址类型,即 "pt = (int *)0xB8000000;" 。

动态申请及释放内存

上边声明和初始化章节,我们是将指针初始化为变量的地址;变量是在编译时分配的有名称的内存,而指针只是为可以通过名称直接访问的内存提供了一个别名。

指针真正的用武之地在于,在运行阶段动态分配未命名的内存以存储值。在这种情况下,只能通过指针来访问内存。在 C 语言中,可以用库函数malloc()来分配内存;在C++中仍然可以这样做,但C++还有更好的方法--new运算符。代码要告诉new,需要为哪种数据类型分配内存;new将找到一个长度正确的内存块,并返回该内存块的地址。代码的责任是将该地址赋给一个指针 。

int *pn= new int;

new int 告诉程序,需要适合存储int 的内存。new运算符根据类型来确定需要多少字节的内存。然后,它找到这样的内存,并返回其地址。接下来,将地址赋给 pn,pn 是被声明为指向 int 的指针。现在,pn 是地址,而*pn 是存储在那里的值。

需要指出的另一点是,new分配的内存块通常与常规变量声明分配的内存块不同。我们上边举例中 函数中的 变量 值都存储在栈(stack)的内存区域中,而new从被堆(heap)或自由存储区(free store)的内存区域分配内存。

当需要内存时,使用new 来请求。不需要的时候,使用 delete 运算符,将new 申请的内存归还给内存池。归还或释放(free)的内存可供程序的其他部分使用。使用 delete 时,后面要加上指向内存块的指针(这些内存块最初是用new 分配的)。一定要配对地使用new 和delete;否则将发生内存泄漏(memory leak),也就是说,被分配的内存再也无法使用了。如果内存泄漏严重,则程序将由于不断寻找更多内存而终止。不要尝试释放已经释放的内存块,C++标准指出,这样的结果将是不确定的,这意味着什么情况都可能发生。另外,不能使用 delete 来释放声明变量所获得的内存。

只能用 delete 来释放使用 new 分配的内存。对空指针使用delete 也是安全的。注意,使用 delete 的关键在于,将它用于new 分配的内存。这并不意味着要使用用于new 的指针,而是用于new的地址。

使用new创建动态数组

如果程序只需要一个值,则可能会声明一个简单变量,因为对于管理一个小型数据对象来说,这样做比使用 new 和指针更简单。使用new 去动态申请内存更适合大型数据结构。

在 C++中,创建动态数组很容易;只要将数组的元素类型和元素数目告诉new 即可。必须在类型名后加上方括号,其中包含元素数目。例如,要创建一个包含 10个int 元素的数组,可以如下这样做,new 运算符返回申请的容纳10个int 的数组空间的地址,或者说是第一个int元素的地址。

int *array = new int [10];

要删除上边申请的内存,如下使用如下语句,方括号告诉程序,应释放整个数组,而不仅仅是指针指向的元素。

delete [] array;

使用 new 和 delete 时,应遵守以下规则。

1)不要使用delete来释放不是new分配的内存。

2)不要使用 delete释放同一个内存块两次。

3)如果使用new[]为数组分配内存,则应使用delete []来释放。

4)如果使用new 为一个实体分配内存,则应使用delete(没有方括号)来释放。

5)对空指针应用 delete 是安全的。

6)不能使用sizeof 来确定动态分配的数组包含的字节数。

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