徹底瞭解指針

2004年7月31日星期六　第二次更新，增加了對象的堆內存分配，細化了指針數組和數組指針內存的說明　！

昨天給０４０５班輔導，當他們問我指針數組的問題的時候，由於好久沒用，感覺有些陌生了，所以今天歸納總結了一下，希望以後的朋友可以少走些彎路：）
一 ：關於指針和堆的內存分配
先來介紹一下指針 ：　指針一種類型，理論上來說它包含其他變量的地址，因此有的書上也叫它：地址變量。既然指針是一個類型，是類型就有大小，在達內的服務器上或者普通的 ＰＣ機上，都是４個字節大小,裏邊只是存儲了一個變量的地址而已。不管什麼類型的指針，char * ,int * ,int (*) ,string * ,float * ，都是說明了本指針所指向的地址空間是什麼類型而已，瞭解了這個基本上所有的問題都好象都變的合理了。

在C++中，申請和釋放堆中分配的存貯空間，分別使用new和delete的兩個運算符來完成：
指針類型　指針變量名=new 指針類型 (初始化)；
        delete 指針名;
例如：1、 int *p=new int(0);
     它與下列代碼序列大體等價：
2、int tmp=0, *p=&tmp;
區別：p所指向的變量是由庫操作符new()分配的，位於內存的堆區中，並且該對象未命名。
　　
下面是關於new 操作的說明　：　部分引自<<C++面向對象開發>>
1、new運算符返回的是一個指向所分配類型變量（對象）的指針。對所創建的變量或對象，都是通過該指針來間接操作的，而動態創建的對象本身沒有名字。
2、一般定義變量和對象時要用標識符命名，稱命名對象，而動態的稱無名對象(請注意與棧區中的臨時對象的區別，兩者完全不同：生命期不同，操作方法不同，臨時變量對程序員是透明的)。
3、堆區是不會在分配時做自動初始化的（包括清零），所以必須用初始化式(initializer)來顯式初始化。new表達式的操作序列如下：從堆區分配對象，然後用括號中的值初始化該對象。

下面是從堆中申請數組
1、申請數組空間：
指針變量名=new 類型名[下標表達式];
注意：“下標表達式”不是常量表達式，即它的值不必在編譯時確定，可以在運行時確定。這就是堆的一個非常顯著的特點，有的時候程序員本身都不知道要申請能夠多少內存的時候，堆就變的格外有用。
2、釋放數組空間：
delete [ ]指向該數組的指針變量名;
注意：方括號非常重要的，如果delete語句中少了方括號，因編譯器認爲該指針是指向數組第一個元素的，會產生回收不徹底的問題（只回收了第一個元素所 佔空間），我們通常叫它“內存泄露”，加了方括號後就轉化爲指向數組的指針，回收整個數組。delete [ ]的方括號中不需要填數組元素數，系統自知。即使寫了，編譯器也忽略。<<Think in c++>>上說過以前的delete []方括號中是必須添加個數的，後來由於很容易出錯，所以後來的版本就改進了這個缺陷。
下面是個例子，VC上編譯通過
#include<iostream>
using namespace std;
//#include <iostream.h> 　//for VC
#include <string.h>
void main(){
int n;
char *p;
cout<<"請輸入動態數組的元素個數"<<endl;
cin>>n; //n在運行時確定，可輸入17
p=new char[n]; //申請17個字符（可裝8個漢字和一個結束符）的內存空間strcpy(pc,“堆內存的動態分配”);//
cout<<p<<endl;
delete []p;//釋放pc所指向的n個字符的內存空間return ;　}

通過指針使堆空間，編程中的幾個可能問題

１．動態分配失敗。返回一個空指針（NULL），表示發生了異常，堆資源不足，分配失敗。
   data = new double [m]; //申請空間
if ((data ) == 0)…… //或者==NULL
２．指針刪除與堆空間釋放。刪除一個指針p（delete p;）實際意思是刪除了p所指的目標（變量或對象等），釋放了它所佔的堆空間，而不是刪除ｐ本身，釋放堆空間後，ｐ成了空懸指針，不能再通過p使用該空間，在重新給p賦值前，也不能再直接使用p。
３．內存泄漏（memory leak）和重複釋放。new與delete 是配對使用的， delete只能釋放堆空間。如果new返回的指針值丟失，則所分配的堆空間無法回收，稱內存泄漏，同一空間重複釋放也是危險的，因爲該空間可能已另分 配，而這個時候又去釋放的話，會導致一個很難查出來的運行時錯誤。所以必須妥善保存new返回的指針，以保證不發生內存泄漏，也必須保證不會重複釋放堆內 存空間。
４．動態分配的變量或對象的生命期。無名變量的生命期並不依賴於建立它的作用域，比如在函數中建立的動態對象在函數返回後仍可使用。我們也稱堆空間爲自由 空間（free store）就是這個原因。但必須記住釋放該對象所佔堆空間，並只能釋放一次，在函數內建立，而在函數外釋放是一件很容易失控的事，往往會出錯，所以永遠 不要在函數體內申請空間，讓調用者釋放，這是一個很差的做法。你再怎麼小心翼翼也可能會帶來錯誤。
類在堆中申請內存 ：
通過new建立的對象要調用構造函數，通過deletee刪除對象要調用析構函數。
CGoods *pc;
pc=new CGoods;  //分配堆空間，並構造一個無名對象
                              //的CGoods對象；
…….
delete pc;  //先析構，然後將內存空間返回給堆；        堆對象的生命期並不依賴於建立它的作用域，所以除非程序結束，堆對象（無名對象）的生命期不會到期，並且需要顯式地用delete語句析構堆對象，上面 的堆對象在執行delete語句時，C++自動調用其析構函數。
正因爲構造函數可以有參數，所以new後面類（class）類型也可以有參數。這些參數即構造函數的參數。
但對創建數組，則無參數，並只調用缺省的構造函數。見下例類說明：

class CGoods{
          char Name[21];
          int  Amount;
          float Price;
          float Total_value;
public:
 CGoods(){}; //缺省構造函數。因已有其他構造函數，系統不會再自動生成缺省構造，必須顯式聲明。   CGoods(char* name,int amount ,float price){
           strcpy(Name,name);
           Amount=amount;
           Price=price;
           Total_value=price*amount;　　}
           ……}；//類聲明結束
下面是調用機制　：

void main(){
 int n;
 CGoods *pc,*pc1,*pc2;
 pc=new CGoods(“hello”，10，118000);
 //調用三參數構造函數   pc1=new CGoods();  //調用缺省構造函數  cout<<”輸入商品類數組元素數”<<endl;
 cin>>n;
 pc2=new CGoods[n];
//動態建立數組，不能初始化，調用n次缺省構造函數  
 ……
 delete pc;
 delete pc1;
 delete []pc2;  }

申請堆空間之後構造函數運行；
釋放堆空間之前析構函數運行；
再次強調：由堆區創建對象數組，只能調用缺省的構造函數，不能調用其他任何構造函數。如果沒有缺省的構造函數，則不能創建對象數組。

---------------------下面我們再來看一下指針數組和數組指針―――――――――――――
如果你想了解指針最好理解以下的公式 ：
(1)int*ptr;//指針所指向的類型是int

　　(2)char*ptr;//指針所指向的的類型是char

　　(3)int**ptr;//指針所指向的的類型是int* （也就是一個int * 型指針）

　　(4)int(*ptr)[3];//指針所指向的的類型是int()[3] //二維指針的聲明

（１）指針數組：一個數組裏存放的都是同一個類型的指針，通常我們把他叫做指針數組。
比如 int * a[10];它裏邊放了１０個int * 型變量，由於它是一個數組，已經在棧區分配了１０個(int * )的空間，也就是３２位機上是４０個byte,每個空間都可以存放一個int型變量的地址，這個時候你可以爲這個數組的每一個元素初始化，在，或者單獨做 個循環去初始化它。
例子：
int * a[2]={ new int(3),new int(4) };     //在棧區裏聲明一個int * 數組，它的每一個元素都在堆區裏申請了一個無名變量，並初始化他們爲３和４，注意此種聲明方式具有缺陷，VC下會報錯
例如　：
int * a[2]={new int[3],new int[3]};
delete a[0];
delet a[10];
但是我不建議達內的學生這麼寫，可能會造成歧義，不是好的風格，並且在VC中會報錯，應該寫成如下　：
int * a[2]；
a[0]= new int[3];
a[1]=new int[3];
delete a[0];
delet a[10];
這樣申請內存的風格感覺比較符合大家的習慣；由於是數組，所以就不可以delete a;編譯會出警告.delete  a[1];
注意這裏 是一個數組，不能delete [] ;
（ ２ ） 數組指針　： 一個指向一維或者多維數組的指針；
int * b=new int[10];　指向一維數組的指針b ;
注意，這個時候釋放空間一定要delete [] ,否則會造成內存泄露， b 就成爲了空懸指針.

int (*b2)[10]=new int[10][10]; 注意，這裏的b2指向了一個二維int型數組的首地址.
注意：在這裏，b2等效於二維數組名，但沒有指出其邊界，即最高維的元素數量，但是它的最低維數的元素數量必須要指定！就像指向字符的指針，即等效一個字符串,不要把指向字符的指針說成指向字符串的指針。這與數組的嵌套定義相一致。
int(*b3) [30] [20];  //三級指針――>指向三維數組的指針；
int (*b2) [20];     //二級指針；
b3=new int [1] [20] [30];
b2=new int [30] [20];
      兩個數組都是由600個整數組成，前者是隻有一個元素的三維數組，每個元素爲30行20列的二維數組，而另一個是有30個元素的二維數組，每個元素爲20個元素的一維數組。
      刪除這兩個動態數組可用下式：
delete [] b3;  //刪除（釋放）三維數組；
delete [] b2;  //刪除（釋放）二維數組；
再次重申：這裏的b2的類型是int (*) ，這樣表示一個指向二維數組的指針。
b3表示一個指向（指向二維數組的指針）的指針，也就是三級指針.

（ 3 ） 二級指針的指針
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;
注意此地方的指針類型爲int (*),碰到這種問題就把外邊的[2]先去掉，然後回頭先把int ** p＝new int(*)[n]申請出來，然後再把外邊的［２］附加上去；
p代表了一個指向二級指針的指針，在它申請空間的時候要注意指針的類型，那就是int (*)代表二級指針，而int (**)顧名思義就是代表指向二級指針的指針了。既然是指針要在堆裏申請空間，那首先要定義它的範圍：（int(*)[n]）[2]，n 個這樣的二級指針，其中的每一個二級指針的最低維是２個元素.（因爲要確定一個二級指針的話，它的最低維數是必須指定的，上邊已經提到）。然後我們又分別 爲p[0],p[1],p[2]…在堆裏分配了空間，尤其要注意的是：在釋放內存的時候一定要爲p[0],p[1],p[2],單獨delete[] ,否則又會造成內存泄露，在delete[]p 的時候一定先delete p[0]; delete p[1]，然後再把給p申請的空間釋放掉 delete [] p ……這樣會防止內存泄露。

（３）指針的指針；
int ** cc=new (int*)[10]; 聲明一個１０個元素的數組，數組每個元素都是一個int *指針，每個元素還可以單獨申請空間，因爲cc的類型是int*型的指針，所以你要在堆裏申請的話就要用int *來申請；
看下邊的例子  (ｖｃ & GNU編譯器都已經通過)；
       int ** a= new int * [2];　　　　　//申請兩個int * 型的空間
       a[1]=new int[3];　　　　　　　　//爲a的第二個元素又申請了３個int 型空間,a[1]指向了此空間首地址處
       a[0]=new int[4];　　　　　　　　////爲a的第一個元素又申請了４個int 型空間，a[0] 指向了此空間的首地址處
       int * b;
       a[0][0]=0;
       a[0][1]=1;
       b=a[0];
  delete [] a[0]　　　　　　　//一定要先釋放a[0]，a[1]的空間，否則會造成內存泄露.;
       delete [] a[1];
  delete [] a;
       b++;
       cout<<*b<<endl;       //隨機數
注意　：因爲a 是在堆裏申請的無名變量數組，所以在delete 的時候要用delete [] 來釋放內存，但是a的每一個元素又單獨申請了空間，所以在delete [] a之前要先delete [] 掉 a[0],a[1],否則又會造成內存泄露.
（４） 指針數組　：
　　　
我們再來看看第二種　：二維指針數組
int *(*c)[3]=new int *[3][2]；
如果你對上邊的介紹的個種指針類型很熟悉的話，你一眼就能看出來c是個二級指針,只不過指向了一個二維int * 型的數組而已，也就是二維指針數組。
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;    //打印結果爲１
delete [] b[0][0];
delete [] b[0][1];
delete [] b;
cout<<*b[0][0]<<endl;    //打印隨機數
　這裏只爲大家還是要注意內存泄露的問題，在這裏就不再多說了。
如果看了上邊的文章，大家估計就會很熟悉，這個b是一個二維指針，它指向了一個指針數組

第二種　：
int **d[2];表示一個擁有兩個元素數組，每一個元素都是int ** 型，這個指向指針的指針：）
　　　d不管怎樣變終究也是個數組，呵呵，
　　　如果你讀懂了上邊的，那下邊的聲明就很簡單了：
　　　d[0]=new int *[10];
　　　d[1]=new int * [10];
delete [] d[0];
delete [] d[1];
具體的就不再多說了 ：）
二　：　函數指針　

關於函數指針，我想在我們可能需要寫個函數，這個函數體內要調用另一個函數，可是由於項目的進度有限，我們不知道要調用什麼樣的函數，這個時候可能就需要一個函數指針；

int a();這個一個函數的聲明；
ing (*b)();這是一個函數指針的聲明；
讓我們來分析一下，左邊圓括弧中的星號是函數指針聲明的關鍵。另外兩個元素是函數的返回類型（void）和由邊圓括弧中的入口參數（本例中參數是空）。注 意本例中還沒有創建指針變量-只是聲明瞭變量類型。目前可以用這個變量類型來創建類型定義名及用sizeof表達式獲得函數指針的大小：
unsigned psize = sizeof (int (*) ()); 獲得函數指針的大小
// 爲函數指針聲明類型定義
typedef int (*PFUNC) ();

PFUNC是一個函數指針，它指向的函數沒有輸入參數，返回int。使用這個類型定義名可以隱藏複雜的函數指針語法，就我本人強烈建議我們大內弟子使用這種方式來定義；

下面是一個例子，一個簡單函數指針的回調(在GNU編譯器上通過，在VC上需要改變一個頭文件就OK了）

#include<iostream>              //GNU 編譯器 g++ 實現
using namespace std;
/*                              //vc 的實現
#include "stdafx.h"
#include <iostream.h>
*/

#define DF(F) int F(){  cout<<"this is in function "<<#F<<endl;/
      return 0;       /
}
//聲明定義DF(F)替代 int F()；函數；
DF(a); DF(b); DF(c); DF(d); DF(e); DF(f); DF(g); DF(h); DF(i);     //聲明定義函數 a b c d e f g h i

// int (*pfunc)();              //一個簡單函數指針的聲明
typedef int(*FUNC)();   //一個函數指針類型的聲明

FUNC ff[] = {a,b,c,d,e,f,g,h,i};   //聲明一個函數指針數組，並初始化爲以上聲明的a,b,c,d,e,f,g,h,i函數

FUNC func3(FUNC vv){    //定義函數func3，傳入一個函數指針，並且返回一個同樣類型的函數指針
      vv();
      return vv;
}

/*FUNC func4(int (*vv)()){      //func3的另一種實現
      vv();
      return vv;
}*/

int main(){
      for(int i=0;i<sizeof(ff)/sizeof (FUNC);i++){  //循環調用函數指針
              FUNC r=func3(ff[ i ]);
              cout<<r()<<endl;                //輸出返回值，只是返回了0
      }
      return 0;
}
到目前爲止，我們只討論了函數指針及回調而沒有去注意ANSI C/C++的編譯器規範。許多編譯器有幾種調用規範。如在Visual C++中，可以在函數類型前加_cdecl，_stdcall或者_pascal來表示其調用規範（默認爲_cdecl）。C++ Builder也支持_fastcall調用規範。調用規範影響編譯器產生的給定函數名，參數傳遞的順序（從右到左或從左到右），堆棧清理責任（調用者或 者被調用者）以及參數傳遞機制（堆棧，CPU寄存器等）。
好了，先到此爲止吧，寫這篇文章耗費了基本上快半天的時間了，很多事情還沒有做，等改天有時間再回來整理，所有的源程序都放在openlab3服務器上我 的目錄下lib/cpp下，大家可以去拿。不知道的登陸openlab3 然後cd ~chengx/lib/cpp就可以看到了。

還有很複雜的聲明可能也是一種挑戰 比如<<Think in c++>>裏的
int (*(*f4())[10]();的聲明,f4是一個返回指針的函數，該指針指向了含有10個函數指針的數組，這些函數返回整形值；不是這個函數有特別之處，而是Bruce Eckel 說的“從右到左的辨認規則”是一種很好的方法，值得我們去學習，感謝他：)

最後我想應該跟大家說一下，寫程序應該就象JERRY所說的：簡單就是美；我們應該遵循一個原則 ： KISS （Keep It Simple,Stupid ,儘量保持程序簡單 出自 ：《Practical C programming》），把自己的程序儘量的簡單明瞭，這是個非常非常好的習慣。

由於寫的匆忙，可能其中有遺漏的地方，大家發現希望能指正：)
GOOD LUCK ！