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引用和指针

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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;

   

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 = 10

 

    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”。---------呵呵，有道理！

    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。-------作者很犀利的见解

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内存管理

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1.内存分配方式

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malloc或new申请任意多少的内存，程序员自己负责在何时用free或delete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。

2.常见的内存错误及其对策

    发生内存错误是件非常麻烦的事情。编译器不能自动发现这些错误，通常是在程序运行时才能捕捉到。而这些错误大多没有明显的症状，时隐时现，增加了改错的难度。有时用户怒气冲冲地把你找来，程序却没有发生任何问题，你一走，错误又发作了。

常见的内存错误及其对策如下：

     内存分配未成功，却使用了它。

编程新手常犯这种错误，因为他们没有意识到内存分配会不成功。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。

 

     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。

 

     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。

 

     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malloc与free的使用次数一定要相同，否则肯定有错误（new/delete同理）。

 

     释放了内存却继续使用它。

有三种情况：

（1）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。

（2）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。

（3）使用free或delete释放了内存后，没有将指针设置为NULL。导致产生“野指针”。

 

         【规则7-2-1】用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。

         【规则7-2-2】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。

         【规则7-2-3】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。

         【规则7-2-4】动态内存的申请与释放必须配对，防止内存泄漏。

         【规则7-2-5】用free或delete释放了内存之后，立即将指针设置为NULL，防止产生“野指针”。

3.指针与数组的对比

       C++/C程序中，指针和数组在不少地方可以相互替换着用，让人产生一种错觉，以为两者是等价的。

       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。

下面以字符串为例比较指针与数组的特性。

 

   修改内容

       示例7-3-1中，字符数组a的容量是6个字符，其内容为hello\0。a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;

 

  内容复制与比较

    不能对数组名进行直接复制与比较。示例7-3-2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) …

  计算内存容量

    用运算符sizeof可以计算出数组的容量（字节数）（a）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。

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。示例7-3-3（b）中，不论数组a的容量是多少，sizeof(a)始终等于sizeof(char *)。

 

char a[] = "hello world";     char *p  = a;     cout<< sizeof(a) << endl;   // 12字节     cout<< sizeof(p) << endl;   // 4字节

（a） 计算数组和指针的内存容量

      

void Func(char a[100])     {         cout<< sizeof(a) << endl;   // 4字节而不是100字节 }

（b） 数组退化为指针

4.指针参数传递内存

       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7-4-1中，Test函数的语句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 }

示例7-4-1 试图用指针参数申请动态内存

 

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”，见示例7-4-2。

 

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);  }

示例7-4-2用指向指针的指针申请动态内存

 

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，见示例7-4-3。

 

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);  }

示例7-4-3 用函数返回值来传递动态内存

 

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，见示例7-4-4。

 

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; }

示例7-4-4 return语句返回指向“栈内存”的指针

 

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。

如果把示例7-4-4改写成示例7-4-5，会怎么样？

 

char *GetString2(void) {     char *p = "hello world";     return p; }

void Test5(void) {     char *str = NULL;     str = GetString2();     cout<< str << endl; }

示例7-4-5 return语句返回常量字符串

 

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.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。

 

（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。

 

6.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);

}

    …

}

       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。

 --呵呵，这么吓人

 

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后记

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（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。