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20.1 理解指针的两种“改变” 普通变量（非指针，简单类型变量）只能改变值： 1) int a = 100; 2) ... 3) a = 200; 第 1 行代码，声明int类型变量a，并且初始化a的值为100。 到第 3 行代码，变量a的值被改变成200。 对于非指针的简单变量，能被程序改变的，只有这一种。而指针变量，似乎有两种改变。 20.1.1 改变指针的值 这一点和普通变量一致。但要特别注意，“改变指针的值”引起的结果是什么？其实就是“改变指针的指向”。 因为，指针的值是某个变量的地址。假如指针P原来的值是A变量的地址，现在改为B变量的地址。我们称为：“P由指向A改为指向B”。这就是指针的第一种改变。 以下是示例代码： int* P; int A,B; 1) P = &A; 2) ... 3) P = &B; 1)行代码中，P 的值为 &A，即P指向变量A。 到3）行代码中，P的值变为&B，即改为指向变量B。 下面讲：指针的第二种改变。通过指针，改变指针所指的变量的值。 20.1.2 改变指针所指的变量的值 复习前一章，我们知道通过 * （地址解析符），可以得到、或改变指针所指的变量的值。 int* P; int A = 100; P = &A; *P = 200; cout << A << endl; 代码中加粗的那一行：*P = 200;，其作用完全等同于：A = 200; 所以，最后一行输出的结果是 200。 这就是指针的第二种改变：所指变量的值，被改变了。 20.1.3 两种改变？一种改变？ 两种改变的意义不同： 改变一：改变指针本身的值（改变指向）。 改变二：改变指针指向的变量的值。 从代码上看： 第一种改变，P = &A;左值（等号左边的值）是变量本身，右值则是一个地址。 而第二种改变，*P =200;左值通过星号对P操作，来取得P指向的变量；右值是普通的值。 理解,区分对指针的两种改变，才能学会如何使用指针。 请思考：上一章讲的“指针的加减操作”，是对指针的哪一种改变？ 最后需要说明，严格意义上，指针仍然只有一种改变，即改变指针本身的值。改变指针指向的变量，应视为对另一变量的改变，只不过在代码上，它通过指针来进行，而不是直接对另一变量进行操作。 为指针分配、释放内存空间 之前，我们给指针下的定义是“指针是一个变量，它存放的值是另一个变量的地址”。 比如： int a; int* p = &a; 看，a 就是“另一个变量”，p指向了a。 我们知道，变量总是要占用一定的内存空间，比如上面的a，就占用了4个字节（sizeof(int))。这四个字节属于谁？当然属于变量a，而不是p。 现在要讲的是：也可以单独为指针分配一段新的内存空间。这一段内容不属于某个变量。 20.2C++方式的内存分配与释放 new和 delete 在内存管理上，C++ 和 C 有着完全不同的两套方案。当然，C++的总是同时兼容C。C的那一套方案在C++里同样可行。 我们首先看看纯C++的那一套： new 和 delete。 new ，从字面上看意思为 “新”；而delete 字面意思为“删除”。二者在C++中内存管理中大致的功能，应是一个为“新建”，一个为“删除”。 20.2.1new new是 c++的一个关键字。被当作像 +、-、* 、/ 一样的操作符。它的操作结果是在申请到一段指定数据类型大小的内存。 语法： 指针变量 = new数据类型; new将做三件事： 1、主动计算指定数据类型需要的内存空间大小； 2、返回正确的指针类型； 3、在分配内存的一，将按照语法规则，初始化所分配的内存。 这是什么意思呢？看看例子吧： int* p; p = new int; 和以往不一样，p 这回不再“寄人篱下”，并不是指向某个已存在的变量，而是直接指向一段由new分配而来的新内存空间。 “p指向一段由new分配而来的新内存空间” 这句话等同于： “new分配一段新的内存空间，然后将该内存空间的地址存入到变量p中。” 所以，最终p中仍然是存储了一个变量的地址，只是，这是一个“无名”变量。 指向原有的某个变量，和指向一段新分配的内存空间，有什么区别呢？ “原有的变量”，可以比喻成指向一间原有的并且有主的房间。而“新分配的内存空间”，则像是一个“临时建筑物”。我们必须在不用它的时候，主动将它拆迁。拆迁的工作由delete来完成。 当指针变量通过 new，而得到一个内存地址后，我们就可以像以前的所说的，通过该指针，通过*号，而对该内存地址（一个无名的变量），进行操作。 如： int* p = new int; *p = 100; cout << *p << endl; 屏幕将输出100。 20.2.2 在new时初始化内存的值 new也可以在申请内存空间时，直接设置该段内存里要放点什么. 语法： 指针变量 = new数据类型(初值); 这样，上例可以改为： int* p = new int(100); cout << *p << endl; 如果你申请的是字符类型的空间,并且想初始化为‘A'： char* pchar = new char('A'); 20.2.3 delete 语法： delete指针变量; delete将释放指定指针所指向的内存空间。 举例： int* p; p = new int; *p = 100; cout << *p << endl; delete p; system("PAUSE"); 注意，当一个指针接受delete操作后，它就又成了一个“指向不明”的指针。尽管我们可以猜测它还是指向“原来的房子”，然而，事实上，那座“房子”已经被delete “拆迁”掉了。 20.2.4 实验： new和 delete 很简单的例子。 第一步： 首先，在CB新建一个控制台程序。然后把上一小节的代码放到main()函数内。运行。结果如下：  (new和 delete) 按任意键退出后，保存工程(Ctrl + Shift + S)。 第二步： 接下来我们来观察指针变量被delete之后，所指向的内存会是什么。但，这是一件犯了C、C++编程大忌的事：访问一个已经delete 的指针的值。如果你最近运气很差，你的CB可能会被强行退出。所以，你明白我们为什么要先存盘了，对不？ 在前面的代码中，加入以下加粗加红的一行(同时，你也应注意我的加的注释)： int* p; p = new int; *p = 100; cout << *p << endl; delete p; //p所指向的内存空间已经被释放 cout << *p << endl; //我们故意去访问此时p所指的内存 system("PAUSE"); 运行结果：
（访问delete之后的指针） 44244844？？在你的机器可能不是这个数，但一定同样是怪怪的值。 原来是好端端的100，现在却成了44244844。不要问我这是为什么？昨天来时，美眉还住在这里一座别致小阁楼里，今日故地重游，这里竟成废墟一片，依稀只见破墙上尚有：“拆！——城建局”的字样？！ new是管建房的，而 delete就一个字：拆！ 请大家自行在CB上完成本实验。我没有提供本题的实际工程。 20.2.5 new和 delete的关系 如果只有“建房”而没有“拆房”，那么程序就会占用内存越来越多。所以，当使用new为某个指针分配出内存空间后，一定要记得在不需要再使用时，用delete删除。下面是一个例子。演示new和 delete的对应使用 //建屋和入住： 1) int* p = new int(100); //使用： 2) cout << *p << endl; //拆： 3) delete p; 看，第1句，申请了4字节的内存空间，同时存入值为100的整数。 第2句，在屏幕上输出入住者的值 (100)。 第3句，释放内存（这4字节被系统收回准备做其它用途）。入住者呢？自然消失了。 前面举的例子都是在 new一个 int类型，其它类型也一样： char* a = new char('A'); cout << *a << endl; *a = 'B'; cout << *a << end; delete a; bool* b = new bool; *b = true; if (*b) cout << "true" << endl; else cout << "fale" << endl; 但是这些都是简单数据类型，如果要分配数组一样的连续空间，则需要使另一对武器。 20.3 new []和 delete [] new / delete 用于分配和释放单个变量的空间，而 new [] / delete[] 则用于分配连续多个变量的存间。 20.3.1 new[] / delete[] 基本用法 new [] 语法: 指针变量 = new数据类型[元素个数] 语法实例： int* p = new int[20]; 首先，你需要迅速回想一下，如果是 int* p = new int(20);那么该是什么作用？否则你很容易在事后把二者混了。 实例中，用 new申请分配了20个连续的整数所需的空间，即：20 * sizeof(int) = 80个字节。 图示为：  (指针变量p指向一段连续的内存空间) new int只是分配了一个整数的内存空间，而 new int[N]却分配了N个整数的连续空间。看来，new[] 比 new “威力更猛”，所以，我们同样得记得：用 new [] 分配出空间，当不在需要时，必须及时调用 delete [] 来释放。 delete [] 语法： delete [] 指针变量; 如： //分配了可以存放1000个int的连续内存空间： int* p = new int[1000]; //然后使用这些空间： …… //最后不需要了，及时释放： delete [] p; 20.3.2 new []/ delete[] 示例 在 Windows XP 、Windows NT 或 Windows 2000中，按 Ctrl + Alt + Del (其它操作系统，如Windows98/Me等千万不要按些组合键，否则电脑将重启)。可以调出Windows 任务管理器，其中要以看出当前粗略的的内存使用量。下面我们结合该工具，写一个程序，先分配100M的内存，再释放。 这是程序代码的抓图：
 各步运行结果：
注意：使用 new 得来的空间，必须用 delete 来释放；使用 new [] 得来的空间，必须用 delete [] 来释放。彼此之间不能混用。 用 new [] 分配出连续空间后，指针变量“指向”该空间的首地址。 20.3.3 详解指向连续空间的指针 在 通过 new []指向连续空间以后，p 就变得和一个一维数组很是类似。我们先来复习一下数组相关知识。 假设是这么一个数组： int arr[20]; 则arr的内存示意图为（为了不太占用版面我缩小了一点）：  (数组 arr的内存示意) 和指针变量相比， 数组没有一个单独的内存空间而存放其内存地址。即：指针变量p是一个独立的变量，只不过它的值指向另一段连续的内存空间；而数组arr，本身代表的就是一段连续空间。 如果拿房间来比喻。指针和数组都是存放地址。只不过，指针是你口袋里的那本通讯录上写着的地址，你可以随时改变它的内容，甚至擦除。而数组是你家门楣上钉着的地址，你家原来是“复兴路甲108号”，你绝对不能趁月黑天高，把它涂改为“唐宁街10号”。 数组是“实”的地址，不能改变。当你和定义一个数组，则这个数组就得根据它在内存中的位置，得到一个地址，如上图中的“0x1A000000”。只要这个数组存在，那么它终生的地址就是这个值。 指针是一个“虚”的地址，可以改变地址的值。当你定义一个指针变量，这个变量占用4个字节的内存，你可以往这4字节的内存写入任意一个值，该值被当成一个内存地址。比如，你可以写入上面的“0x1A000000”,此时，指针p指向第一个元素。也可以改为“0x1A000003”，此时，指针p指向第二个元素。 所以，当p通过 new []指向一段连续空间的结果是，p 是一个指向数组的指针，而*p是它所指的数组。 我们来看实例，首先看二者的类似之处。下面左边代码使用数组，右边代码使用指针。
当指针变量 P 通过 new []指向一连续的内存空间: 1、p[N]得到第N个元素 （0 <=N <元素个数）; 2、*(p + N)同样得到第N个元素 （0 <=N <元素个数） 如 p[0]或 *(p + 0)得到内存空间第0个元素； 把上面右边代码中的大部分 p替换为 arr，则和左边代码变得一模一样。 下面再来比较二者的不同。
关于指针本身的 + 和 - 操作，请复习上一章相关内容。 接下来的问题也很重要。 20.4 delete/delete[] 的两个注意点 指针通过 new 或 new[] ，向系统“申请”得到一段内存空间，我们说过，这段内存空间必须在不需要将它释放了。有点像人类社会的终极目标“共产主义”下的“按需分配”。需要了就申请，不需要了，则主动归还。 现在问题就在于这个“主动归还”。当然，指针并不存在什么思想觉悟方面的问题，说光想申请不想归还。真正的问题是，指针在某些方面的表现似乎有些像“花心大萝卜”。请看下面代码，演示令人心酸的一幕。 /* 初始化 p ----- p 的新婚 通过 new ，将一段新建的内存“嫁给”指针p 这一段分配的内存，就是p的原配夫妻 */ int* p = new int[100]; /* 使用 p ----- 恩爱相处 N 多年恩爱相处，此处略去不表 */ …… /* p 改变指向 ---- 分手 */ int girl [100]; //第三者出现 p = girl; //p 就这样指向girl /* delete [] p ---- 落幕前的灾难 终于有一天，p老了，上帝选择在这一时刻 惩罚他 */ delete [] p; 扣除注释，上面只有4行代码。这4行代码完全符合程序世界的宪法：语法。也就是说对它们进行编译，编译器会认为它们毫无错误，轻松放行。 但在灾难在 delete [] p 时发生。 我们原意是要释放 p 最初通过new int[100]而得到的内存空间，但事实上，p那时已经指向girl[100]了。结果，第一、最初的空间并没有被释放。第二、girl[100] 本由系统自行释放，现在我们却要强行释放它。 20.4.1 一个指针被删除时，应指向最初的地址 当一个指针通过 +,- 等操作而改变了指向；那么在释放之前，应确保其回到原来的指向。 比如： int* p = new int[3]; *p = 1; cout << *p << endl; p++; //p的指向改变了，指向了下一元素 *p = 2; cout << *p << endl; //错误的释放： delete [] p; 在 delete [] p时，p指向的是第二个元素，结果该释放将产生错位：第一个元素没有被释放，而在最后多删除了一个元素。相当你盖房时盖的是前3间，可以在拆房时，漏了头一间，从第二间开始拆起，结果把不是你盖的第4房间倒给一并拆了。 如何消除这一严重错误呢？ 第一种方法是把指针正确地"倒"回原始位置： p--; delete [] p; 但当我们的指针指向变化很多次时，在释放前要保证一步不错地一一退回，会比较困难。所以另一方法是在最初时“备份”一份。在释放时，直接释放该指针即可。 int* p = new int[3]; int* pbak = *p; //备份 //移动 p …… //释放： delete [] pbak; 由于pbak正是指向p最初分配后的地址，我们删除pbak,就是删除p最初的指向。此时我们不能再删除一次p。这也就引出new / delete 及 new[] / delete[] 在本章的最后一个问题。 20.4.2 已释放的空间，不可重复释放 第一种情况，错了最直接： int* p = new int(71); cout << *p << endl; delete p; //OK! delete p; //ERROR! 重复删除p 当然，如果同一指针在delete之后，又通过new 或 new[] 分配了一次内存，则需要再删除一次: int* p = new int(71); cout << *p << endl; delete p; //OK! ... p = new int(81); delete p; //OK! ... p = new int[10]; for (int i=0; i<10; i++) *p = i; ... delete [] p; //OK! 上面代码中，共计三次对p进行delete 或 delete[]，但不属于重复删除。因为每次delete都对应一次新的new。 我们下面所说的例子，均指一次delete之后，没有再次new，而重复进行delete。 第二种情况，重复删除同一指向的多个指针 int* p1 = new int(71); int* p2 = p1; //p2和p1 现在指向同一内存地址 cout << *p1 << endl; cout << *p2 << endl; delete p1; //OK delete p2; //ERROR! p2所指的内存，已通过delete p1而被释放，不可再delete一次。 同样的问题，如果你先删除了p2，则同样不可再删除p1。 ... delete p2; //OK delete p1; //ERROR 第三种情况，删除指向某一普通变量的指针 int a = 100; int* p = &a; delete p; //ERROR p 不是通过new 得到新的内存空间，而是直接指向固定变量：a。所以删除p等同要强行剥夺a的固有空间,会导致出错。 20.5 C 方式的内存管理 new/delete只在C++里得到支持。在C里，内存管理是通过专门的函数来实现。另外，为了兼容各种编程语言，操作系统提供的接口通常是 C 语言写成的函数声明 （Windows 本身也由C和汇编语言写成）。这样，我们就不得不同时学习C的内存管理函数。 20.5.1 分配内存 malloc 函数 需要包含头文件： #include <alloc.h> 或 #include <stdlib.h> 函数声明(函数原型)： void *malloc(int size); 说明：malloc 向系统申请分配指定size个字节的内存空间。返回类型是 void* 类型。void* 表示未确定类型的指针。C,C++规定，void* 类型可以强制转换为任何其它类型的指针。 从函数声明上可以看出。malloc 和 new 至少有两个不同: new 返回指定类型的指针，并且可以自动计算所需要大小。比如： int *p; p = new int; //返回类型为int* 类型(整数型指针)，分配大小为 sizeof(int); 或： int* parr; parr = new int [100]; //返回类型为 int* 类型(整数型指针)，分配大小为 sizeof(int) * 100; 而 malloc 则必须由我们计算要字节数，并且在返回后强行转换为实际类型的指针。 int* p; p = (int *) malloc (sizeof(int)); 第一、malloc 函数返回的是 void * 类型，如果你写成：p = malloc (sizeof(int)); 则程序无法通过编译，报错：“不能将 void* 赋值给 int * 类型变量”。所以必须通过 (int *) 来将强制转换。 第二、函数的实参为sizeof(int) ，用于指明一个整型数据需要的大小。如果你写成： int* p = (int *) malloc (1); 代码也能通过编译，但事实上只分配了1个字节大小的内存空间，当你往里头存入一个整数，就会有3个字节无家可归，而直接“住进邻居家”！造成的结果是后面的内存中原有数据内容全部被清空。 malloc 也可以达到 new [] 的效果，申请出一段连续的内存，方法无非是指定你所需要内存大小。 比如想分配100个int类型的空间： int* p = (int *) malloc ( sizeof(int) * 100 ); //分配可以放得下100个整数的内存空间。 另外有一点不能直接看出的区别是，malloc 只管分配内存，并不能对所得的内存进行初始化，所以得到的一片新内存中，其值将是随机的。 除了分配及最后释放的方法不一样以外，通过malloc或new得到指针，在其它操作上保持一致。 20.5.2 释放内存free 函数 需要包含头文件(和 malloc 一样)： #include <alloc.h> 或 #include <stdlib.h> 函数声明： void free(void *block); 即： void free(指针变量)； 之所以把形参中的指针声明为 void* ，是因为free必须可以释放任意类型的指针，而任意类型的指针都可以转换为void *。 举例: int* p = (int *) malloc(4); *p = 100; free(p); //释放 p 所指的内存空间 或者： int* p = (int *) malloc ( sizeof(int) * 100 ); //分配可以放得下100个整数的内存空间。 …… free(p); free 不管你的指针指向多大的空间,均可以正确地进行释放，这一点释放比 delete/delete [] 要方便。不过，必须注意，如果你在分配指针时，用的是new或new[]，那么抱歉，当你在释放内存时，你并不能图方便而使用free来释放。反过来，你用malloc 分配的内存，也不能用delete/delete[] 来释放。一句话，new/delete、new[]/delete[]、malloc/free 三对均需配套使用，不可混用！ int* p = new int[100]; ... ... free(p); //ERROR! p 是由new 所得。 这也是我们必须学习malloc 与 free 的重要理由之一，有时候，我们调用操作系统的函数（Windows API）时，会遇到由我们的程序来分配内存，API函数来释放内存；或API函数来分配内存，而我们的程序来负责释放，这时，必须用malloc或free来进行相应的工作。 当然，保证所说的内存分配与释放方式不匹配的错误发生，Windows API函数也提供了一套专门的内存管理函数给程序员,为了不在这一章里放太多相混的内容，我们在Windows编程的课程再讲相关内容。 最后还有一个函数，也是我们要学习C方式的内存管理函数的原因。 20.5.3 重调空间的大小： realloc函数 需要包含头文件(和 malloc 一样)： #include <alloc.h> 或 #include <stdlib.h> 函数声明： void *realloc(void *block, int size); block是指向要扩张或缩小的内存空间的指针。size 指定新的大小。 realloc可以对给定的指针所指的空间进行扩大或者缩小。size是新的目标大小。比如，原来空间大小是40个字节，现在可以将size指定为60，这样就扩张了20个字节；或者，将size指定为20，则等于将空间缩小了20个字节。 无论是扩张或是缩小，原有内存的中内容将保持不变。当然，对于缩小，则被缩小的那一部分的内容会丢失。 举例： //先用 malloc分配一指针 int* p = (int *) malloc (sizeof(int) * 10); //可以存放10个整数 …… //现在，由于些某原因，我们需要向p所指的空间中存放15个整数 //原来的空间不够了： p = (int *) realloc (p, sizeof(int) *15); //空间扩张了 (15 - 10) * sizeof(int) = 20个字节 …… //接下来，我们决定将p所指内存空间紧缩为5个整数的大小： p = (int *) realloc (p, sizeof(int) * 5); //缩小了 (15 - 5) * sizeof(int) = 40个字节 … free (p); 这么看起来，realloc有点像是施工队对一个已建的房屋进行改修：可以将房间后面再扩建几间，也可以拆掉几间。不管是扩还是拆，屋里原来的东西并不改变。 不过，这里要特别提醒一点：这个施工队有时会做这种事：1、在一块新的空地上新建一座指定大小的房屋；2、接着，将原来屋子里的东西原样照搬到新屋；3、拆掉原来的屋子。 这是什么指意呢？ realloc并不保证调整后的内存空间和原来的内存空间保持同一内存地址。相反，realloc返回的指针很可能指向一个新的地址。 所以，在代码中，我们必须将realloc返回的值，重新赋值给 p : p = (int *) realloc (p, sizeof(int) *15); 甚至，你可以传一个空指针（0）给 realloc，则此时realloc作用完全相当于malloc。 int* p = (int *) realloc (0,sizeof(int) * 10); //分配一个全新的内存空间， 这一行，作用完全等同于： int* p = (int *) malloc(sizeof(int) * 10); 20.5.4malloc、realloc、free的例子 打开CB6，新建一空白控制台工程。 第一步：在 Unit1.cpp中的最前面，加入引用 alloc.h 等头文件的代码： …… #pragma hdrstop #include <alloc.h> //三个函数的声明都这个头文件里 #include <iostream.h> …… 第二步：将以下代码加入主函数 main 中间： int* p = (int *) malloc (sizeof(int) * 10); cout << "realloc 之前p指向的内存地址: " << p << endl; for (int i=0; i<10; i++) { p[i] = i + 1; } cout << "realloc 之前p指向的内存中的内容：" << endl; for (int i=0; i<10; i++) { cout << p[i] << ","; } cout << endl; p = (int *) realloc (p, sizeof(int) * 15); cout << "realloc 之后p指向的内存地址: " << p << endl; cout << "realloc 之后p指向的内存中的内容：" << endl; for (int i=0; i<15; i++) { cout << p[i] << ","; } cout << endl; free (p); system("PAUSE"); 运行结果：
(malloc, realloc, free上机题) 从图中我们看到realloc 前后的p指向的内存地址同样是 9647936 。但记住，这并不是结论，真正的结论我们已经说过“realloc 并不保证返回和原来一样的地址。”所谓的“并不保证”的意思是：“我尽力去做了，但仍然有可能做不到。”。 无论调用几次 realloc,最后我们只需一次 free。 |
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