【C++指針】搭建起程序與內存深度交互的橋梁（下）

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????????往者不可諫，來者猶可追——《論語·微子篇》

? ? ? ??譯文：過去的事情已經無法挽回，未來的歲月還可以迎頭趕上。???

目錄

C++內存模型

new與delete動態分配內存

動態分配單個變量(例如; int* ptr = new int(10))

動態分配數組(例如 int* arr = new int[5] )

分配內存失敗的情況

一維數組與指針

使用數組名/和數組名加下標訪問數組中元素及其地址

使用指針訪問數組中元素及其地址

二維數組與指針

行指針

函數指針

指針用作函數參數

用函數指針來傳遞函數

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C++內存模型

?

????????棧區：由編譯器自動管理，用于存儲局部變量、函數參數和返回地址。每當調用一個函數時，會在棧上分配一塊新的棧幀，函數執行完畢后，棧幀自動釋放。

????????堆區：也被叫做自由存儲區，由程序員手動管理。通過new操作符在堆上分配內存，使用delete操作符釋放內存。

????????數據存儲區：用于存放全局變量和靜態變量。在程序啟動時分配內存，程序結束時釋放內存。

????????代碼區：用于存放程序的可執行代碼。代碼區是只讀的，防止程序在運行過程中被意外修改。

棧區和堆區區別

  1. 管理方式不同：棧區是系統自動管理的，在離開作用域時，會自動釋放
  2. 空間大小不同：棧區大小操作系統預先設定，一般只有8M。如果在棧上分配的內存超過了棧的最大容量，會導致棧溢出（Stack Overflow）錯誤；堆區空間僅受限與物理內存空間，所以相對較大。
  3. 效率不同：棧區內存的分配和釋放速度非常快，因為它只需要移動棧指針；而堆區內存分配和釋放需要操作系統復雜的操作。

new與delete動態分配內存

new：動態分配內存

delete:? 釋放分配的內存

在堆區動態分配內存的步驟：

  1. 聲明一個指針
  2. 用new運算符向系統的堆區申請一塊內存，并用指針指向這塊內存
  3. 通過解引用的方式，來取出這塊內存中的值
  4. 當這塊內存不用時，需用delete來釋放它

動態分配內存的兩類：

動態分配單個變量(例如; int* ptr = new int(10))

    int* p = new int(2);std::cout<<"*p的值:"<<*p<<std::endl;//打印內存中的值delete p;

解析：

  • int* p = new int(2);

??????? 首先在堆區new申請了一塊內存，這塊內存是int型，接著初始化該內存的值為2，最后返回新分配內存的地址，用一個int類型的指針來指向他。

  • delete p;

????????釋放這塊內存

動態分配數組(例如 int* arr = new int[5] )

    int* arry = new int[8];for(int i=0;i<8;i++){*(arry+i) = i;std::cout<<"第"<<i<<"個值"<<*(arry+i)<<std::endl;}delete[] arry;

解析：

  • int* arry = new int[8];

??????? 首先new申請了一塊內存，這塊內存存儲的是一個含有8位int型數據的數組，最后返回新分配內存的地址，用一個int類型的指針來指向他。這里的arry代表數組的首地址。

  • ?*(arry+i) = i;

??????? 通過循環和解引用的方式為數組中每個數賦值。

  • delete[] arry;

????????釋放這塊內存

分配內存失敗的情況

??????? 如果需要分配含有大量的數據的數組，那么棧空間上分配是遠遠不夠的，需要在堆區分配。但是如果內存分配失敗，則會導致程序崩潰，但是我們不希望這樣，我們可以在內存分配失敗的時候捕捉到這個錯誤。

使用std::nothrow

int main(int argc, char const *argv[])
{int* arry = new(std::nothrow)int[100000];if(arry == nullptr)std::cout<<"分配內存失敗"<<std::endl;else{std::cout<<"分配內存成功"<<std::endl;arry[99999] = 0;delete[] arry;}return 0;
}

?

一維數組與指針

使用數組名/和數組名加下標訪問數組中元素及其地址

int arry[3] = {2,4,6};
std::cout<<"數組"<<std::endl;
std::cout<<arry<<std::endl;
std::cout<<&arry[0]<<std::endl;
std::cout<<arry+1<<std::endl;
std::cout<<arry+2<<std::endl;
std::cout<<arry[0]<<std::endl;
std::cout<<arry[1]<<std::endl;
std::cout<<arry[2]<<std::endl;

解析：

  • 數組的名稱/數組第一個元素的地址 是同一個地址
  • 數組名+n：數組第n個元素的地址
  • 數組名[n]：數組第n個元素的內容

使用指針訪問數組中元素及其地址

int* p = arry;
std::cout<<"指針"<<std::endl;
std::cout<<p<<std::endl;
std::cout<<p+1<<std::endl;
std::cout<<p+2<<std::endl;
std::cout<<*(p)<<std::endl;
std::cout<<*(p+1)<<std::endl;
std::cout<<*(p+2)<<std::endl;

解析：

????????如果將數組名稱賦給一個指針變量，實際上是將數組的首地址賦給了指針。

  • 指針+n：數組第n個元素的地址
  • *(指針+n)：數組第n個元素的內容

對于C++而言

數組名[下標] 解釋為 *(數組名首地址+下標)

地址[下標] 解釋為 *(地址+下標)

輸出

兩者是一樣的

二維數組與指針

在講二維數組之前，有必要去介紹對一個一維數組名取地址

void func2()
{int a[3] = {6,7,8};std::cout<<"數組第一個元素的地址："<<a<<std::endl;std::cout<<"數組第一個元素的地址+1："<<a+1<<std::endl;std::cout<<"數組的地址："<<&a<<std::endl;//即為地址的地址，是一個行指針std::cout<<"數組的地址+1："<<&a+1<<std::endl;int (*p)[3] = &a;//正確// int *p2 = &a;//錯誤S
}

解析：

?????? 我們都知道數組名a是代表數組第一個元素的地址，但是&a是數組的地址，雖然a和&a的地址是相同的，但是二者有著不同的類型。

??????? a的類型是 int*

??????? &a的類型是 int(*p)[],即行指針。

為了證明a和&a有著不同的含義，我們同時對兩個地址加1測試

輸出

  • ?可見數組第一個元素的地址+1后，實際上是加了4，對于16進制，c后是d,e,f,0然后進位a變為b，所以是ac變b0
  • 而數組的地址+1后，發現并沒有+4，而是+12，12是3*4得來的，因為數組有3個int型數據，每個數據占4個字節。
  • 這也是行指針的作用，行指針+1后，實際上加上的是這一行數組組成的數組的總長度。

行指針

對于二維數組而言。

行指針格式: 數據類型 (*p)[列大小]

例如

int arry[2][3] = {{1,2,3},{4,5,6}};

int (*p)[3] = arry;

#include<iostream>int main(int argc, char const *argv[])
{int arry[2][3] = {{1,2,3},{4,5,6}};int (*p)[3] = arry;// 這種方式是一個行指針，也就是說該指針p指向的是二維數組中第一個包含三個int型數據的數組的地址// 對該地址進行解引用，就會得到該數組的首地址，再次解引用就會得到數組中具體的值。std::cout<<**p<<std::endl;//p為二維數組中每一行數組的地址，*p得到數組第一個元素的地址，**p得到數組元素的值std::cout<<*(*(p+1))<<std::endl;//p為二維數組中第0行數組的地址，再加1得到第1行數組的地址，解引用為第一行數組的第一個元素的地址，再解引用位第一個元素的值。std::cout<<*(*(p+1)+1)<<std::endl;//*(p+1)為第一行數組的第一個元素的地址,*(p+1)+1：再加1為第一行數組的第二個元素的地址，再解引用為第二個元素的值。std::cout<<*(p[1]+1)<<std::endl;//p[1]在c++中被解釋為*(p+1)// 個人理解：// 地址 + n：// 應看這個地址的類型，即這個指針的類型，如果這個指針是行指針，那么加1就是加上這一行數組的總共的字節數//例如p+1，p是行指針，存儲的是每一行數組的地址，加1其實是加上了4*3=12個字節//如果這個指針是普通指針，那么加1就是加上這個數組的單個元素的字節數//例如*(p+1)+1，*(p+1)是普通指針，存儲的是數組第一個元素的地址,加1其實是加上了4個字節return 0;
}

輸出

函數詳解：

  • int (*p)[3] = arry;

????????這種方式是一個行指針，也就是說該指針p指向的是二維數組中第一個包含三個int型數據的數組的地址

  • std::cout<<**p<<std::endl;

????????p為二維數組中每一行數組的地址，*p得到數組第一個元素的地址，**p得到數組元素的值

  • std::cout<<*(*(p+1))<<std::endl;

????????p為二維數組中第0行數組的地址，再加1得到第1行數組的地址，解引用為第一行數組的第一個元素的地址，再解引用位第一個元素的值。

  • std::cout<<*(*(p+1)+1)<<std::endl;

????????*(p+1)為第一行數組的第一個元素的地址,*(p+1)+1：再加1為第一行數組的第二個元素的地址，再解引用為第二個元素的值。

  • std::cout<<*(p[1]+1)<<std::endl;

????????p[1]在c++中被解釋為*(p+1)

個人理解：

對于 地址 + n：

  • ?應看這個地址的類型，即這個指針的類型，如果這個指針是行指針，那么加1就是加上這一行數組的總共的字節數。例如p+1，p是行指針，存儲的是每一行數組的地址，加1其實是加上了4*3=12個字節
  • 如果這個指針是普通指針，那么加1就是加上這個數組的單個元素的字節數。例如*(p+1)+1，*(p+1)是普通指針，存儲的是數組第一個元素的地址,加1其實是加上了4個字節

函數指針

指針用作函數參數

如果參數是一個 數組的話，必須傳遞數組的長度

下面用代碼解釋原因

#include<iostream>
void func(int* arr)
{std::cout<<"數組長度2="<<sizeof(arr)<<std::endl;for(int i =0;i<sizeof(arr)/sizeof(int);i++){std::cout<<*(arr+i)<<std::endl;}}
int main(int argc, char const *argv[])
{int arry[3] = {2,4,6};func(arry);std::cout<<"數組長度1="<<sizeof(arry)<<std::endl;  return 0;
}

輸出

????????在函數func中，參數是一個指針變量，使用sizeof運算符的時候，會返回這個指針的大小，而指針的大小是一個常數8（在64位操作系統）；而在main函數中，arry是一個數組名，在使用sizeof運算符的時候，會返回這個數組的大小。

??????? 所以在func函數中，sizeof(arr)/sizeof(int)的值是8/4等于2，所以數組只打印了索引為0和1的值。

正確的做法是參數中加上數組長度

#include<iostream>
void func(int* arr,int len)
{std::cout<<"數組長度2="<<sizeof(arr)<<std::endl;for(int i =0;i<len;i++){std::cout<<*(arr+i)<<std::endl;}}
int main(int argc, char const *argv[])
{int arry[3] = {2,4,6};func(arry,sizeof(arry)/sizeof(int));std::cout<<"數組長度1="<<sizeof(arry)<<std::endl;  return 0;
}

輸出

用函數指針來傳遞函數

用途：可以用一個函數來調用別的函數.

做法：將該函數的參數設置為要調用函數的指針

聲明一個函數指針：

格式：返回值類型 (*函數指針名)(參數1，參數2)

通過函數指針調用函數

函數指針名(參數1，2)

在C++中，函數的名稱就是函數的地址

#include<iostream>int func2(int m)
{std::cout<<"函數2"<<std::endl;return m+1;
}
int func3(int m)
{std::cout<<"函數3"<<std::endl;return m-1;
}
void func(int(*pf)(int))
{std::cout<<"準備工作"<<std::endl;int n = pf(3);std::cout<<"返回值"<<n<<std::endl;std::cout<<"收尾工作"<<std::endl;
}
int main(int argc, char const *argv[])
{func(func2);func(func3);return 0;
}

函數解析：

這段代碼實現了函數傳遞函數，通過修改參數可以讓不同的函數被執行。??

???? 主要看的是void func(int(*pf)(int))

這個函數func的參數是一個函數指針

  • 名稱：pf
  • 返回值：int
  • 參數：int 可不加變量名

    func(func2);func(func3);

這個是將需要傳遞的函數的名稱傳遞過去，函數的名稱就是函數的地址

?輸出

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