c++ 指针
来源:互联网 发布:ubuntu live桌面用户名 编辑:程序博客网 时间:2024/04/29 08:14
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原文地址:http://blog.csdn.net/xt_xiaotian/article/details/5714477
指针变量的运算
要使用指针访问数组中的各元素,需要对指针进行运算。下面先介绍指针运算的规则。
常见的指针运算有:指针加或减一个数、指针自增、指针自减、指针比较等。
假设有以下指针:
- int *p=&i;
设变量i的首地址为20000。
1.自增/自减运算
对指针变量可进行自增/自减运算,例如,执行如下语句:
- p++;
指针变量p的值应该为多少呢?
如果变量p不是指针变量,这时p的值应该是自增1,变为20001。如果p是指针变量,执行p++的结果就不一定了。对于本例,执行以上语句后,p的值为20004。即p每自增一次,指针就指向后一个int型数。
C语言规定,指针每递增一次,将指向后一个基类型元素的内存单元;指针每递减一次,将指向前一个基类型元素的内存单元。也就是相当于执行以下操作:
- pp=p+sizof(*p);
- pp=p-sizeof(*p);
所以,在定义指针变量时,指针变量的类型非常重要。若使用类型不配匹的指针变量,将得到不可预测的结果。
2.指针加减一个整数
指针还可加减一个整数n,例如,执行如下语句:
- p+=3;
与自增/自减类似,这时指针变量p并不是将内存单元地址增加3个字节,而是将p增加3个基类型数的字节宽度,相当于执行以下语句:
- pp=p+3*sizeof(*p);
因此,此时p的值为20000+3*4=20012。
对于指针减去一个整数n的操作与此类似。
需要注意的是,除了对指针加上或减去一个整数外,其他任何算术运算都是非法的。例如,不允许对指针做乘法和除法、不允许两个指针相加、不允许对指针加上或减去一个float型或double型的数据。
3.两指针变量相减
因指针变量保存的是内存地址,将两个内存地址相加没有意义,所以不允许将两个指针相加。但大部分编译器都支持两个指针相减的运算,两指针变量相减所得之差是两个指针所指变量之间相差的元素个数。实际上是两个指针值(地址)相减之差再除以该指针变量类型长度。例如:p1和p2是为两个指向int型变量的指针,运算p1-p2得到的结果如下:
- d=(p1-p2)/4;
即p1的地址值减去p2的地址值,再除以int型数据所占字节数。得到的值为两个变量相隔多少个int型数据位置。
对于两个普通变量的指针,使用这种运算没有任何意义。但是,如果两个指针指向同一个数组,这时计算结果d就表示两个指针之间相差的数组元素个数。例如,有一个数组a,两个指针p1和p2,分别指向数组的不同元素,如图9-18所示。
图9-18 指针相减这时执行p2 p1,其计算过程为:(1009-10000)/4=3。表示a[3]和a[0]之间相关三个数组元素。
不单是指针相减运算,对于指针加上/减去一个整数n、指针自增或自减这些运算,对于普通变量都没多少实际意义,这些运算都主要使用在指针操作数组时。
4.指针比较
指针比较可用来判断两个指针在内存中的位置关系。例如:
- p1>p2
如果以上表达式为true,则表示p1处于高位地址(地址值更大)。
- p1==p2
如果以上表达式为true,则表示两个指针指向同一个地址。
另外,还可用以下关系表达式判断指针是否为空指针:
- p1==NULL
如果表达式值为true,则表示指针p1为空指针。
C++ 智能指针详解
一、简介
由于 C++ 语言没有自动内存回收机制,程序员每次 new 出来的内存都要手动 delete。程序员忘记 delete,流程太复杂,最终导致没有 delete,异常导致程序过早退出,没有执行 delete 的情况并不罕见。
用智能指针便可以有效缓解这类问题,本文主要讲解参见的智能指针的用法。包括:std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array、boost::weak_ptr、boost::intrusive_ptr。你可能会想,如此多的智能指针就为了解决new、delete匹配问题,真的有必要吗?看完这篇文章后,我想你心里自然会有答案。
下面就按照顺序讲解如上 7 种智能指针(smart_ptr)。
二、具体使用
1、总括
对于编译器来说,智能指针实际上是一个栈对象,并非指针类型,在栈对象生命期即将结束时,智能指针通过析构函数释放有它管理的堆内存。所有智能指针都重载了“operator->”操作符,直接返回对象的引用,用以操作对象。访问智能指针原来的方法则使用“.”操作符。
访问智能指针包含的裸指针则可以用 get() 函数。由于智能指针是一个对象,所以if (my_smart_object)永远为真,要判断智能指针的裸指针是否为空,需要这样判断:if (my_smart_object.get())。
智能指针包含了 reset() 方法,如果不传递参数(或者传递 NULL),则智能指针会释放当前管理的内存。如果传递一个对象,则智能指针会释放当前对象,来管理新传入的对象。
我们编写一个测试类来辅助分析:
class Simple {
public:
Simple(int param = 0) {
number = param;
std::cout << "Simple: " << number << std::endl;
}
~Simple() {
std::cout << "~Simple: " << number << std::endl;
}
void PrintSomething() {
std::cout << "PrintSomething: " << info_extend.c_str() << std::endl;
}
std::string info_extend;
int number;
};
2、std::auto_ptr
std::auto_ptr 属于 STL,当然在 namespace std 中,包含头文件 #include<memory> 便可以使用。std::auto_ptr 能够方便的管理单个堆内存对象。
我们从代码开始分析:
void TestAutoPtr() {
std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1)); // 创建对象,输出:Simple:1
if (my_memory.get()) { // 判断智能指针是否为空
my_memory->PrintSomething(); // 使用 operator-> 调用智能指针对象中的函数
my_memory.get()->info_extend = "Addition"; // 使用 get() 返回裸指针,然后给内部对象赋值
my_memory->PrintSomething(); // 再次打印,表明上述赋值成功
(*my_memory).info_extend += " other"; // 使用 operator* 返回智能指针内部对象,然后用“.”调用智能指针对象中的函数
my_memory->PrintSomething(); // 再次打印,表明上述赋值成功
}
} // my_memory 栈对象即将结束生命期,析构堆对象 Simple(1)
执行结果为:
Simple: 1
PrintSomething:
PrintSomething: Addition
PrintSomething: Addition other
~Simple: 1
上述为正常使用 std::auto_ptr 的代码,一切似乎都良好,无论如何不用我们显示使用该死的delete 了。
其实好景不长,我们看看如下的另一个例子:
void TestAutoPtr2() {
std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
if (my_memory.get()) {
std::auto_ptr<Simple> my_memory2; // 创建一个新的 my_memory2 对象
my_memory2 = my_memory; // 复制旧的 my_memory 给 my_memory2
my_memory2->PrintSomething(); // 输出信息,复制成功
my_memory->PrintSomething(); // 崩溃
}
}
最终如上代码导致崩溃,如上代码时绝对符合 C++ 编程思想的,居然崩溃了,跟进std::auto_ptr 的源码后,我们看到,罪魁祸首是“my_memory2 = my_memory”,这行代码,my_memory2 完全夺取了 my_memory 的内存管理所有权,导致 my_memory 悬空,最后使用时导致崩溃。
所以,使用 std::auto_ptr 时,绝对不能使用“operator=”操作符。作为一个库,不允许用户使用,确没有明确拒绝[1],多少会觉得有点出乎预料。
看完 std::auto_ptr 好景不长的第一个例子后,让我们再来看一个:
void TestAutoPtr3() {
std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
if (my_memory.get()) {
my_memory.release();
}
}
执行结果为:
Simple: 1
看到什么异常了吗?我们创建出来的对象没有被析构,没有输出“~Simple: 1”,导致内存泄露。当我们不想让 my_memory 继续生存下去,我们调用 release() 函数释放内存,结果却导致内存泄露(在内存受限系统中,如果my_memory占用太多内存,我们会考虑在使用完成后,立刻归还,而不是等到 my_memory 结束生命期后才归还)。
正确的代码应该为:
void TestAutoPtr3() {
std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
if (my_memory.get()) {
Simple* temp_memory = my_memory.release();
delete temp_memory;
}
}
或
void TestAutoPtr3() {
std::auto_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
if (my_memory.get()) {
my_memory.reset(); // 释放 my_memory 内部管理的内存
}
}
原来 std::auto_ptr 的 release() 函数只是让出内存所有权,这显然也不符合 C++ 编程思想。
总结:std::auto_ptr 可用来管理单个对象的对内存,但是,请注意如下几点:
(1) 尽量不要使用“operator=”。如果使用了,请不要再使用先前对象。
(2) 记住 release() 函数不会释放对象,仅仅归还所有权。
(3) std::auto_ptr 最好不要当成参数传递(读者可以自行写代码确定为什么不能)。
(4) 由于 std::auto_ptr 的“operator=”问题,有其管理的对象不能放入 std::vector 等容器中。
(5) ……
使用一个 std::auto_ptr 的限制还真多,还不能用来管理堆内存数组,这应该是你目前在想的事情吧,我也觉得限制挺多的,哪天一个不小心,就导致问题了。
由于 std::auto_ptr 引发了诸多问题,一些设计并不是非常符合 C++ 编程思想,所以引发了下面 boost 的智能指针,boost 智能指针可以解决如上问题。
让我们继续向下看。
3、boost::scoped_ptr
boost::scoped_ptr 属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。boost::scoped_ptr 跟 std::auto_ptr 一样,可以方便的管理单个堆内存对象,特别的是,boost::scoped_ptr 独享所有权,避免了 std::auto_ptr恼人的几个问题。
我们还是从代码开始分析:
void TestScopedPtr() {
boost::scoped_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
if (my_memory.get()) {
my_memory->PrintSomething();
my_memory.get()->info_extend = "Addition";
my_memory->PrintSomething();
(*my_memory).info_extend += " other";
my_memory->PrintSomething();
my_memory.release(); // 编译 error: scoped_ptr 没有 release 函数
std::auto_ptr<Simple> my_memory2;
my_memory2 = my_memory; // 编译 error: scoped_ptr 没有重载 operator=,不会导致所有权转移
}
}
首先,我们可以看到,boost::scoped_ptr 也可以像 auto_ptr 一样正常使用。但其没有release() 函数,不会导致先前的内存泄露问题。其次,由于 boost::scoped_ptr 是独享所有权的,所以明确拒绝用户写“my_memory2 = my_memory”之类的语句,可以缓解 std::auto_ptr 几个恼人的问题。
由于 boost::scoped_ptr 独享所有权,当我们真真需要复制智能指针时,需求便满足不了了,如此我们再引入一个智能指针,专门用于处理复制,参数传递的情况,这便是如下的boost::shared_ptr。
4、boost::shared_ptr
boost::shared_ptr 属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。在上面我们看到 boost::scoped_ptr 独享所有权,不允许赋值、拷贝,boost::shared_ptr 是专门用于共享所有权的,由于要共享所有权,其在内部使用了引用计数。boost::shared_ptr 也是用于管理单个堆内存对象的。
我们还是从代码开始分析:
void TestSharedPtr(boost::shared_ptr<Simple> memory) { // 注意:无需使用 reference (或 const reference)
memory->PrintSomething();
std::cout << "TestSharedPtr UseCount: " << memory.use_count() << std::endl;
}
void TestSharedPtr2() {
boost::shared_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
if (my_memory.get()) {
my_memory->PrintSomething();
my_memory.get()->info_extend = "Addition";
my_memory->PrintSomething();
(*my_memory).info_extend += " other";
my_memory->PrintSomething();
}
std::cout << "TestSharedPtr2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
TestSharedPtr(my_memory);
std::cout << "TestSharedPtr2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
//my_memory.release();// 编译 error: 同样,shared_ptr 也没有 release 函数
}
执行结果为:
Simple: 1
PrintSomething:
PrintSomething: Addition
PrintSomething: Addition other
TestSharedPtr2 UseCount: 1
PrintSomething: Addition other
TestSharedPtr UseCount: 2
TestSharedPtr2 UseCount: 1
~Simple: 1
boost::shared_ptr 也可以很方便的使用。并且没有 release() 函数。关键的一点,boost::shared_ptr 内部维护了一个引用计数,由此可以支持复制、参数传递等。boost::shared_ptr 提供了一个函数 use_count() ,此函数返回 boost::shared_ptr 内部的引用计数。查看执行结果,我们可以看到在 TestSharedPtr2 函数中,引用计数为 1,传递参数后(此处进行了一次复制),在函数TestSharedPtr 内部,引用计数为2,在 TestSharedPtr 返回后,引用计数又降低为 1。当我们需要使用一个共享对象的时候,boost::shared_ptr 是再好不过的了。
在此,我们已经看完单个对象的智能指针管理,关于智能指针管理数组,我们接下来讲到。
5、boost::scoped_array
boost::scoped_array 属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。
boost::scoped_array 便是用于管理动态数组的。跟 boost::scoped_ptr 一样,也是独享所有权的。
我们还是从代码开始分析:
void TestScopedArray() {
boost::scoped_array<Simple> my_memory(new Simple[2]); // 使用内存数组来初始化
if (my_memory.get()) {
my_memory[0].PrintSomething();
my_memory.get()[0].info_extend = "Addition";
my_memory[0].PrintSomething();
(*my_memory)[0].info_extend += " other"; // 编译 error,scoped_ptr 没有重载 operator*
my_memory[0].release(); // 同上,没有release 函数
boost::scoped_array<Simple> my_memory2;
my_memory2 = my_memory; // 编译error,同上,没有重载 operator=
}
}
boost::scoped_array 的使用跟 boost::scoped_ptr 差不多,不支持复制,并且初始化的时候需要使用动态数组。另外,boost::scoped_array 没有重载“operator*”,其实这并无大碍,一般情况下,我们使用 get() 函数更明确些。
下面肯定应该讲 boost::shared_array 了,一个用引用计数解决复制、参数传递的智能指针类。
6、boost::shared_array
boost::shared_array 属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。
由于 boost::scoped_array 独享所有权,显然在很多情况下(参数传递、对象赋值等)不满足需求,由此我们引入 boost::shared_array。跟 boost::shared_ptr 一样,内部使用了引用计数。
我们还是从代码开始分析:
void TestSharedArray(boost::shared_array<Simple> memory) { // 注意:无需使用 reference (或 const reference)
std::cout << "TestSharedArray UseCount: " << memory.use_count() << std::endl;
}
void TestSharedArray2() {
boost::shared_array<Simple> my_memory(new Simple[2]);
if (my_memory.get()) {
my_memory[0].PrintSomething();
my_memory.get()[0].info_extend = "Addition 00";
my_memory[0].PrintSomething();
my_memory[1].PrintSomething();
my_memory.get()[1].info_extend = "Addition 11";
my_memory[1].PrintSomething();
//(*my_memory)[0].info_extend += " other"; // 编译 error,scoped_ptr 没有重载 operator*
}
std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
TestSharedArray(my_memory);
std::cout << "TestSharedArray2 UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
}
执行结果为:
Simple: 0
Simple: 0
PrintSomething:
PrintSomething: Addition 00
PrintSomething:
PrintSomething: Addition 11
TestSharedArray2 UseCount: 1
TestSharedArray UseCount: 2
TestSharedArray2 UseCount: 1
~Simple: 0
~Simple: 0
跟 boost::shared_ptr 一样,使用了引用计数,可以复制,通过参数来传递。
至此,我们讲过的智能指针有std::auto_ptr、boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr、boost::scoped_array、boost::shared_array。这几个智能指针已经基本够我们使用了,90% 的使用过标准智能指针的代码就这 5 种。可如下还有两种智能指针,它们肯定有用,但有什么用处呢,一起看看吧。
7、boost::weak_ptr
boost::weak_ptr 属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。
在讲 boost::weak_ptr 之前,让我们先回顾一下前面讲解的内容。似乎boost::scoped_ptr、boost::shared_ptr 这两个智能指针就可以解决所有单个对象内存的管理了,这儿还多出一个 boost::weak_ptr,是否还有某些情况我们没纳入考虑呢?
回答:有。首先 boost::weak_ptr 是专门为 boost::shared_ptr 而准备的。有时候,我们只关心能否使用对象,并不关心内部的引用计数。boost::weak_ptr 是 boost::shared_ptr 的观察者(Observer)对象,观察者意味着 boost::weak_ptr 只对 boost::shared_ptr 进行引用,而不改变其引用计数,当被观察的 boost::shared_ptr 失效后,相应的 boost::weak_ptr 也相应失效。
我们还是从代码开始分析:
void TestWeakPtr() {
boost::weak_ptr<Simple> my_memory_weak;
boost::shared_ptr<Simple> my_memory(new Simple(1));
std::cout << "TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
my_memory_weak = my_memory;
std::cout << "TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: " << my_memory.use_count() << std::endl;
}
执行结果为:
Simple: 1
TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1
TestWeakPtr boost::shared_ptr UseCount: 1
~Simple: 1
我们看到,尽管被赋值了,内部的引用计数并没有什么变化,当然,读者也可以试试传递参数等其他情况。
现在要说的问题是,boost::weak_ptr 到底有什么作用呢?从上面那个例子看来,似乎没有任何作用,其实 boost::weak_ptr 主要用在软件架构设计中,可以在基类(此处的基类并非抽象基类,而是指继承于抽象基类的虚基类)中定义一个 boost::weak_ptr,用于指向子类的boost::shared_ptr,这样基类仅仅观察自己的 boost::weak_ptr 是否为空就知道子类有没对自己赋值了,而不用影响子类 boost::shared_ptr 的引用计数,用以降低复杂度,更好的管理对象。
8、boost::intrusive_ptr
boost::intrusive_ptr属于 boost 库,定义在 namespace boost 中,包含头文件#include<boost/smart_ptr.hpp> 便可以使用。
讲完如上 6 种智能指针后,对于一般程序来说 C++ 堆内存管理就够用了,现在有多了一种boost::intrusive_ptr,这是一种插入式的智能指针,内部不含有引用计数,需要程序员自己加入引用计数,不然编译不过(⊙﹏⊙b汗)。个人感觉这个智能指针没太大用处,至少我没用过。有兴趣的朋友自己研究一下源代码哦J。
三、总结
如上讲了这么多智能指针,有必要对这些智能指针做个总结:
1、在可以使用 boost 库的场合下,拒绝使用 std::auto_ptr,因为其不仅不符合 C++ 编程思想,而且极容易出错[2]。
2、在确定对象无需共享的情况下,使用 boost::scoped_ptr(当然动态数组使用boost::scoped_array)。
3、在对象需要共享的情况下,使用 boost::shared_ptr(当然动态数组使用boost::shared_array)。
4、在需要访问 boost::shared_ptr 对象,而又不想改变其引用计数的情况下,使用boost::weak_ptr,一般常用于软件框架设计中。
5、最后一点,也是要求最苛刻一点:在你的代码中,不要出现 delete 关键字(或 C 语言的free 函数),因为可以用智能指针去管理。
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[1]参见《effective C++(3rd)》,条款06 。
[2]关于 boost 库的使用,可本博客另外一篇文章:《在 Windows 中编译 boost1.42.0》。
[3]读者应该看到了,在我所有的名字前,都加了命名空间标识符std::(或boost::),这不是我不想写 using namespace XXX 之类的语句,在大型项目中,有可能会用到 N 个第三方库,如果把命名空间全放出来,命名污染(Naming conflicts)问题很难避免,到时要改回来是极端麻烦的事情。当然,如果你只是写 Demo,可以例外。
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