指针和内存分配的深度理解

一 ：关于指针和堆的内存分配

先来介绍一下指针: 指针一种类型，理论上来说它包含其他变量的地址，因此有的书上也叫它：地址变量。既然指针是一个类型，是类型就有大小，在达内的服务器上或者普通的PC机上，都是４个字节大小,里边只是存储了一个变量的地址而已。不管什么类型的指针，char * ,int * ,int (*) ,string * ,float * ，都是说明了本指针所指向的地址空间是什么类型而已，了解了这个基本上所有的问题都好象都变的合理了。

在C++中，申请和释放堆中分配的存贮空间，分别使用new和delete的两个运算符来完成：

指针类型　指针变量名 = new 指针类型 (初始化)；

        delete 指针名;

例如：

1、 int *p = new int(0);

     它与下列代码序列大体等价：

2、int tmp = 0, *p = &tmp;

区别：p所指向的变量是由库操作符new()分配的，位于内存的堆区中，并且该对象未命名。

　　

下面是关于new 操作的说明　：　部分引自《C++面向对象开发》

1、new运算符返回的是一个指向所分配类型变量（对象）的指针。对所创建的变量或对象，都是通过该指针来间接操作的，而动态创建的对象本身没有名字。

2、一般定义变量和对象时要用标识符命名，称命名对象，而动态的称无名对象(请注意与栈区中的临时对象的区别，两者完全不同：生命期不同，操作方法不同，临时变量对程序员是透明的)。

3、堆区是不会在分配时做自动初始化的（包括清零），所以必须用初始化式(initializer)来显式初始化。new表达式的操作序列如下：从堆区分配对象，然后用括号中的值初始化该对象。

下面是从堆中申请数组

1、申请数组空间：

指针变量名=new 类型名[下标表达式];

注意：“下标表达式”不是常量表达式，即它的值不必在编译时确定，可以在运行时确定。这就是堆的一个非常显著的特点，有的时候程序员本身都不知道要申请能够多少内存的时候，堆就变的格外有用。

2、释放数组空间：

delete [ ]指向该数组的指针变量名;

注意：方括号非常重要的，如果delete语句中少了方括号，因编译器认为该指针是指向数组第一个元素的，会产生回收不彻底的问题（只回收了第一个元素所占空间），我们通常叫它“内存泄露”，加了方括号后就转化为指向数组的指针，回收整个数组。delete [ ]的方括号中不需要填数组元素数，系统自知。即使写了，编译器也忽略。<<Think in c++>>上说过以前的delete []方括号中是必须添加个数的，后来由于很容易出错，所以后来的版本就改进了这个缺陷。

下面是个例子，VC上编译通过

#include<iostream>

using namespace std;

//#include <iostream.h> 　//for VC

#include <string.h>

void main(){

     int n;

     char *p;

     cout<<"请输入动态数组的元素个数"<<endl;

     cin>>n; //n在运行时确定，可输入17

     p=new char[n]; //申请17个字符（可装8个汉字和一个结束符）的内存空间strcpy(pc,“堆内存的动态分配”);//

     cout<<p<<endl;

     delete []p;//释放pc所指向的n个字符的内存空间return ;　

}

通过指针使堆空间，编程中的几个可能问题

１．动态分配失败。返回一个空指针（NULL），表示发生了异常，堆资源不足，分配失败。

   data = new double [m]; //申请空间

   if ((data ) == 0)…… //或者==NULL

２．指针删除与堆空间释放。删除一个指针p（delete p;）实际意思是删除了p所指的目标（变量或对象等），释放了它所占的堆空间，而不是删除ｐ本身，释放堆空间后，ｐ成了空悬指针，不能再通过p使用该空间，在重新给p赋值前，也不能再直接使用p。

３．内存泄漏（memory leak）和重复释放。new与delete 是配对使用的， delete只能释放堆空间。如果new返回的指针值丢失，则所分配的堆空间无法回收，称内存泄漏，同一空间重复释放也是危险的，因为该空间可能已另分配，而这个时候又去释放的话，会导致一个很难查出来的运行时错误。所以必须妥善保存new返回的指针，以保证不发生内存泄漏，也必须保证不会重复释放堆内存空间。

４．动态分配的变量或对象的生命期。无名变量的生命期并不依赖于建立它的作用域，比如在函数中建立的动态对象在函数返回后仍可使用。我们也称堆空间为自由空间（free store）就是这个原因。但必须记住释放该对象所占堆空间，并只能释放一次，在函数内建立，而在函数外释放是一件很容易失控的事，往往会出错，所以永远不要在函数体内申请空间，让调用者释放，这是一个很差的做法。你再怎么小心翼翼也可能会带来错误。

类在堆中申请内存 ：

通过new建立的对象要调用构造函数，通过deletee删除对象要调用析构函数。

CGoods *pc;

pc=new CGoods;      //分配堆空间，并构造一个无名对象

                              //的CGoods对象；

…….

delete pc;  //先析构，然后将内存空间返回给堆；        堆对象的生命期并不依赖于建立它的作用域，所以除非程序结束，堆对象（无名对象）的生命期不会到期，并且需要显式地用delete语句析构堆对象，上面的堆对象在执行delete语句时，C++自动调用其析构函数。

正因为构造函数可以有参数，所以new后面类（class）类型也可以有参数。这些参数即构造函数的参数。

但对创建数组，则无参数，并只调用缺省的构造函数。见下例类说明：

class CGoods{

          char Name[21];

          int  Amount;

          float Price;

          float Total_value;

public:

 CGoods(){}; //缺省构造函数。因已有其他构造函数，系统不会再自动生成缺省构造，必须显式声明。  

 CGoods(char* name,int amount ,float price){

           strcpy(Name,name);

           Amount=amount;

           Price=price;

           Totalvalue=price*amount;　　}

           ……}；//类声明结束

下面是调用机制　：

void main(){

      int n;

      CGoods *pc,*pc1,*pc2;

      pc=new CGoods(“hello”，10，118000);

      //调用三参数构造函数   pc1=new CGoods();  //调用缺省构造函数  cout<<”输入商品类数组元素数”<<endl;

      cin>>n;

      pc2 = new CGoods[n];

     //动态建立数组，不能初始化，调用n次缺省构造函数  

      ……

      delete pc;

      delete pc1;

      delete []pc2;  

}

申请堆空间之后构造函数运行；

释放堆空间之前析构函数运行；

再次强调：由堆区创建对象数组，只能调用缺省的构造函数，不能调用其他任何构造函数。如果没有缺省的构造函数，则不能创建对象数组。

---------------------下面我们再来看一下指针数组和数组指针―――――――――――――

如果你想了解指针最好理解以下的公式 ：

     (1)int*ptr;//指针所指向的类型是int

　  (2)char*ptr;//指针所指向的的类型是char

　  (3)int**ptr;//指针所指向的的类型是int* （也就是一个int * 型指针）

　  (4)int(*ptr)[3];//指针所指向的的类型是int()[3] //二维指针的声明

（１）指针数组：一个数组里存放的都是同一个类型的指针，通常我们把他叫做指针数组。

比如 int * a[10];它里边放了１０个int * 型变量，由于它是一个数组，已经在栈区分配了１０个(int * )的空间，也就是３２位机上是４０个byte,每个空间都可以存放一个int型变量的地址，这个时候你可以为这个数组的每一个元素初始化，在，或者单独做个循环去初始化它。

例子：

int * a[2]={ new int(3),new int(4) };     //在栈区里声明一个int * 数组，它的每一个元素都在堆区里申请了一个无名变量，并初始化他们为３和４，注意此种声明方式具有缺陷，VC下会报错

例如　：

int * a[2]={new int[3],new int[3]};

delete a[0];

delet a[10];

但是我不建议达内的学生这么写，可能会造成歧义，不是好的风格，并且在VC中会报错，应该写成如下　：

int * a[2]；

a[0]= new int[3];

a[1]=new int[3];

delete a[0];

delet a[10];

这样申请内存的风格感觉比较符合大家的习惯；由于是数组，所以就不可以delete a;编译会出警告.delete  a[1];

注意这里 是一个数组，不能delete [] ;

（ ２ ） 数组指针　： 一个指向一维或者多维数组的指针；

int * b=new int[10];　指向一维数组的指针b ;

注意，这个时候释放空间一定要delete [] ,否则会造成内存泄露， b 就成为了空悬指针.

int (*b2)[10]=new int[10][10]; 注意，这里的b2指向了一个二维int型数组的首地址.

注意：在这里，b2等效于二维数组名，但没有指出其边界，即最高维的元素数量，但是它的最低维数的元素数量必须要指定！就像指向字符的指针，即等效一个字符串,不要把指向字符的指针说成指向字符串的指针。这与数组的嵌套定义相一致。

int(*b3) [30] [20];  //三级指针――>指向三维数组的指针；

int (*b2) [20];     //二级指针；

b3=new int [1] [20] [30];

b2=new int [30] [20];

      两个数组都是由600个整数组成，前者是只有一个元素的三维数组，每个元素为30行20列的二维数组，而另一个是有30个元素的二维数组，每个元素为20个元素的一维数组。

      删除这两个动态数组可用下式：

delete [] b3;  //删除（释放）三维数组；

delete [] b2;  //删除（释放）二维数组；

再次重申：这里的b2的类型是int (*) ，这样表示一个指向二维数组的指针。

b3表示一个指向（指向二维数组的指针）的指针，也就是三级指针.

（ 3 ） 二级指针的指针

看下例 :

int (**p)[2]=new (int(*)[3])[2];

       p[0]=new int[2][2];

       p[1]=new int[2][2];

       p[2]=new int[2][2];

       delete [] p[0];

       delete [] p[1];

       delete [] p[2];

       delete [] p;

注意此地方的指针类型为int (*),碰到这种问题就把外边的[2]先去掉，然后回头先把int ** p＝new int(*)[n]申请出来，然后再把外边的［２］附加上去；

p代表了一个指向二级指针的指针，在它申请空间的时候要注意指针的类型，那就是int (*)代表二级指针，而int (**)顾名思义就是代表指向二级指针的指针了。既然是指针要在堆里申请空间，那首先要定义它的范围：（int(*)[n]）[2]，n 个这样的二级指针，其中的每一个二级指针的最低维是２个元素.（因为要确定一个二级指针的话，它的最低维数是必须指定的，上边已经提到）。然后我们又分别为p[0],p[1],p[2]…在堆里分配了空间，尤其要注意的是：在释放内存的时候一定要为p[0],p[1],p[2],单独delete[] ,否则又会造成内存泄露，在delete[]p 的时候一定先delete p[0]; delete p[1]，然后再把给p申请的空间释放掉 delete [] p ……这样会防止内存泄露。

（３）指针的指针；

int ** cc=new (int*)[10]; 声明一个１０个元素的数组，数组每个元素都是一个int *指针，每个元素还可以单独申请空间，因为cc的类型是int*型的指针，所以你要在堆里申请的话就要用int *来申请；

看下边的例子  (ｖｃ & GNU编译器都已经通过)；

       int ** a= new int * [2];　　　　　//申请两个int * 型的空间

       a[1]=new int[3];　　　　　　　　//为a的第二个元素又申请了３个int 型空间,a[1]指向了此空间首地址处

       a[0]=new int[4];　　　　　　　　////为a的第一个元素又申请了４个int 型空间，a[0] 指向了此空间的首地址处

       int * b;

       a[0][0]=0;

       a[0][1]=1;

       b=a[0];

       delete [] a[0]　　　　　　　//一定要先释放a[0]，a[1]的空间，否则会造成内存泄露.;

       delete [] a[1];

       delete [] a;

       b++;

       cout<<*b<<endl;       //随机数

注意　：因为a 是在堆里申请的无名变量数组，所以在delete 的时候要用delete [] 来释放内存，但是a的每一个元素又单独申请了空间，所以在delete [] a之前要先delete [] 掉 a[0],a[1],否则又会造成内存泄露.

（４） 指针数组　：

　　　

我们再来看看第二种　：二维指针数组

int *(*c)[3]=new int *[3][2]；

如果你对上边的介绍的个种指针类型很熟悉的话，你一眼就能看出来c是个二级指针,只不过指向了一个二维int * 型的数组而已，也就是二维指针数组。

例子　：

 int *(*b)[10]=new int*[2][10];//

b[0][0]=new int[100];

b[0][1]=new int[100];

*b[0][0]=1;

cout <<*b[0][0]<<endl;    //打印结果为１

delete [] b[0][0];

delete [] b[0][1];

delete [] b;

cout<<*b[0][0]<<endl;    //打印随机数

　这里只为大家还是要注意内存泄露的问题，在这里就不再多说了。

如果看了上边的文章，大家估计就会很熟悉，这个b是一个二维指针，它指向了一个指针数组

第二种　：

        int **d[2];表示一个拥有两个元素数组，每一个元素都是int ** 型，这个指向指针的指针：）

　　　d不管怎样变终究也是个数组，呵呵，

　　　如果你读懂了上边的，那下边的声明就很简单了：

　　　d[0]=new int *[10];

　　　d[1]=new int * [10];

     delete [] d[0];

     delete [] d[1];

具体的就不再多说了 ：）

二　：　函数指针　

关于函数指针，我想在我们可能需要写个函数，这个函数体内要调用另一个函数，可是由于项目的进度有限，我们不知道要调用什么样的函数，这个时候可能就需要一个函数指针；

int a();这个一个函数的声明；

ing (*b)();这是一个函数指针的声明；

让我们来分析一下，左边圆括弧中的星号是函数指针声明的关键。另外两个元素是函数的返回类型（void）和由边圆括弧中的入口参数（本例中参数是空）。注意本例中还没有创建指针变量-只是声明了变量类型。目前可以用这个变量类型来创建类型定义名及用sizeof表达式获得函数指针的大小：

unsigned psize = sizeof (int (*) ()); 获得函数指针的大小

// 为函数指针声明类型定义

typedef int (*PFUNC) ();

PFUNC是一个函数指针，它指向的函数没有输入参数，返回int。使用这个类型定义名可以隐藏复杂的函数指针语法，就我本人强烈建议我们大内弟子使用这种方式来定义；

下面是一个例子，一个简单函数指针的回调(在GNU编译器上通过，在VC上需要改变一个头文件就OK了）

#include<iostream>              //GNU 编译器 g++ 实现

using namespace std;

/*                              //vc 的实现

#include "stdafx.h"

#include <iostream.h>

*/

#define DF(F) int F(){  cout<<"this is in function "<<#F<<endl;\

      return 0;       \

}

//声明定义DF(F)替代 int F()；函数；

DF(a); DF(b); DF(c); DF(d); DF(e); DF(f); DF(g); DF(h); DF(i);     //声明定义函数 a b c d e f g h i

// int (*pfunc)();              //一个简单函数指针的声明

typedef int(*FUNC)();   //一个函数指针类型的声明

FUNC ff[] = {a,b,c,d,e,f,g,h,i};   //声明一个函数指针数组，并初始化为以上声明的a,b,c,d,e,f,g,h,i函数

FUNC func3(FUNC vv){    //定义函数func3，传入一个函数指针，并且返回一个同样类型的函数指针

      vv();

      return vv;

}

/*FUNC func4(int (*vv)()){      //func3的另一种实现

      vv();

      return vv;

}*/

int main(){

      for(int i=0;i<sizeof(ff)/sizeof (FUNC);i++){  //循环调用函数指针

              FUNC r=func3(ff[ i ]);

              cout<<r()<<endl;                //输出返回值，只是返回了0

      }

      return 0;

}

到目前为止，我们只讨论了函数指针及回调而没有去注意ANSI C/C++的编译器规范。许多编译器有几种调用规范。如在Visual C++中，可以在函数类型前加_cdecl，_stdcall或者_pascal来表示其调用规范（默认为_cdecl）。C++ Builder也支持_fastcall调用规范。调用规范影响编译器产生的给定函数名，参数传递的顺序（从右到左或从左到右），堆栈清理责任（调用者或者被调用者）以及参数传递机制（堆栈，CPU寄存器等）。

好了，先到此为止吧，写这篇文章耗费了基本上快半天的时间了，很多事情还没有做，等改天有时间再回来整理，所有的源程序都放在openlab3服务器上我的目录下lib/cpp下，大家可以去拿。不知道的登陆openlab3 然后cd ~chengx/lib/cpp就可以看到了。

还有很复杂的声明可能也是一种挑战 比如<<Think in c++>>里的

int (*(*f4())[10]();的声明,f4是一个返回指针的函数，该指针指向了含有10个函数指针的数组，这些函数返回整形值；不是这个函数有特别之处，而是Bruce Eckel 说的“从右到左的辨认规则”是一种很好的方法，值得我们去学习，感谢他：)

最后我想应该跟大家说一下，写程序应该就象JERRY所说的：简单就是美；我们应该遵循一个原则 ： KISS （Keep It Simple,Stupid ,尽量保持程序简单 出自 ：《Practical C programming》），把自己的程序尽量的简单明了，这是个非常非常好的习惯。