Question

在第 3 章的开头，提到了计算机程序在存储数据时必须跟踪的 3 种基本属性。为了方便，这里再次列出了这些属性：

• 信息存储在何处；
• 存储的值为多少；
• 存储的信息是什么类型。

您使用过一种策略来达到上述目的：定义一个简单变量。声明语句指出了值的类型和符号名，还让程序为值分配内存，并在内部跟踪该内存单元。

下面来看一看另一种策略，它在开发 C++类时非常重要。这种策略以指针为基础，指针是一个变量，其存储的是值的地址，而不是值本身。在讨论指针之前，我们先看一看如何找到常规变量的地址。只需对变量应用地址运算符（&），就可以获得它的位置；例如，如果 home 是一个变量，则&home 是它的地址。程序清单 4.14 演示了这个运算符的用法。

程序清单 4.14 address.cpp

下面是该程序在某个系统上的输出：

显示地址时，该实现的 cout 使用十六进制表示法，因为这是常用于描述内存的表示法（有些实现可能使用十进制表示法）。在该实现中，donuts 的存储位置比 cups 要低。两个地址的差为 0x0065fd44 – 0x0065fd40（即 4）。这是有意义的，因为 donuts 的类型为 int，而这种类型使用 4 个字节。当然，不同系统给定的地址值可能不同。有些系统可能先存储 cups，再存储 donuts，这样两个地址值的差将为 8 个字节，因为 cups 的类型为 double。另外，在有些系统中，可能不会将这两个变量存储在相邻的内存单元中。

使用常规变量时，值是指定的量，而地址为派生量。下面来看看指针策略，它是 C++内存管理编程理念的核心（参见旁注“指针与 C++基本原理”）。

指针与 C++基本原理

面向对象编程与传统的过程性编程的区别在于，OOP 强调的是在运行阶段（而不是编译阶段）进行决策。运行阶段指的是程序正在运行时，编译阶段指的是编译器将程序组合起来时。运行阶段决策就好比度假时，选择参观哪些景点取决于天气和当时的心情；而编译阶段决策更像不管在什么条件下，都坚持预先设定的日程安排。

运行阶段决策提供了灵活性，可以根据当时的情况进行调整。例如，考虑为数组分配内存的情况。传统的方法是声明一个数组。要在 C++中声明数组，必须指定数组的长度。因此，数组长度在程序编译时就设定好了；这就是编译阶段决策。您可能认为，在 80%的情况下，一个包含 20 个元素的数组足够了，但程序有时需要处理 200 个元素。为了安全起见，使用了一个包含 200 个元素的数组。这样，程序在大多数情况下都浪费了内存。OOP 通过将这样的决策推迟到运行阶段进行，使程序更灵活。在程序运行后，可以这次告诉它只需要 20 个元素，而还可以下次告诉它需要 205 个元素。

总之，使用 OOP 时，您可能在运行阶段确定数组的长度。为使用这种方法，语言必须允许在程序运行时创建数组。稍后您看会到，C++采用的方法是，使用关键字 new 请求正确数量的内存以及使用指针来跟踪新分配的内存的位置。

在运行阶段做决策并非 OOP 独有的，但使用 C++编写这样的代码比使用 C 语言简单。

处理存储数据的新策略刚好相反，将地址视为指定的量，而将值视为派生量。一种特殊类型的变量—指针用于存储值的地址。因此，指针名表示的是地址。*运算符被称为间接值（indirect velue）或解除引用（dereferencing）运算符，将其应用于指针，可以得到该地址处存储的值（这和乘法使用的符号相同；C++根据上下文来确定所指的是乘法还是解除引用）。例如，假设 manly 是一个指针，则 manly 表示的是一个地址，而*manly 表示存储在该地址处的值。*manly 与常规 int 变量等效。程序清单 4.15 说明了这几点，它还演示了如何声明指针。

程序清单 4.15 pointer.cpp

下面是该程序的输出：

从中可知，int 变量 updates 和指针变量 p_updates 只不过是同一枚硬币的两面。变量 updates 表示值，并使用&运算符来获得地址；而变量 p_updates 表示地址，并使用*运算符来获得值（参见图 4.8）。由于 p_updates 指向 updates，因此*p_updates 和 updates 完全等价。可以像使用 int 变量那样使用*p_updates。正如程序清单 4.15 表明的，甚至可以将值赋给*p_updates。这样做将修改指向的值，即 updates。

图 4.8 硬币的两面

4.7.1 声明和初始化指针

我们来看看如何声明指针。计算机需要跟踪指针指向的值的类型。例如，char 的地址与 double 的地址看上去没什么两样，但 char 和 double 使用的字节数是不同的，它们存储值时使用的内部格式也不同。因此，指针声明必须指定指针指向的数据的类型。

例如，前一个示例包含这样的声明：

这表明，* p_updates 的类型为 int。由于*运算符被用于指针，因此 p_updates 变量本身必须是指针。我们说 p_updates 指向 int 类型，我们还说 p_updates 的类型是指向 int 的指针，或 int*。可以这样说，p_updates 是指针（地址），而*p_updates 是 int，而不是指针（见图 4.9）。

图 4.9 指针存储地址

顺便说一句，*运算符两边的空格是可选的。传统上，C 程序员使用这种格式：

这强调*ptr 是一个 int 类型的值。而很多 C++程序员使用这种格式：

这强调的是：int*是一种类型—指向 int 的指针。在哪里添加空格对于编译器来说没有任何区别，您甚至可以这样做：

但要知道的是，下面的声明创建一个指针（p1）和一个 int 变量（p2）：

对每个指针变量名，都需要使用一个*。

注意：

在 C++中，int *是一种复合类型，是指向 int 的指针。

可以用同样的句法来声明指向其他类型的指针：

由于已将 tax_ptr 声明为一个指向 double 的指针，因此编译器知道*tax_ptr 是一个 double 类型的值。也就是说，它知道*tax_ptr 是一个以浮点格式存储的值，这个值（在大多数系统上）占据 8 个字节。指针变量不仅仅是指针，而且是指向特定类型的指针。tax_ptr 的类型是指向 double 的指针（或 double *类型），str 是指向 char 的指针类型（或 char *）。尽管它们都是指针，却是不同类型的指针。和数组一样，指针都是基于其他类型的。

虽然 tax_ptr 和 str 指向两种长度不同的数据类型，但这两个变量本身的长度通常是相同的。也就是说，char 的地址与 double 的地址的长度相同，这就好比 1016 可能是超市的街道地址，而 1024 可以是小村庄的街道地址一样。地址的长度或值既不能指示关于变量的长度或类型的任何信息，也不能指示该地址上有什么建筑物。一般来说，地址需要 2 个还是 4 个字节，取决于计算机系统（有些系统可能需要更大的地址，系统可以针对不同的类型使用不同长度的地址）。

可以在声明语句中初始化指针。在这种情况下，被初始化的是指针，而不是它指向的值。也就是说，下面的语句将 pt（而不是*pt）的值设置为&higgens：

程序清单 4.16 演示了如何将指针初始化为一个地址。

程序清单 4.16 init_ptr.cpp

下面是该程序的示例输出：

从中可知，程序将 pi（而不是*pi）初始化为 higgens 的地址。在您的系统上，显示的地址可能不同，显示格式也可能不同。

4.7.2 指针的危险

危险更易发生在那些使用指针不仔细的人身上。极其重要的一点是：在 C++中创建指针时，计算机将分配用来存储地址的内存，但不会分配用来存储指针所指向的数据的内存。为数据提供空间是一个独立的步骤，忽略这一步无疑是自找麻烦，如下所示：

fellow 确实是一个指针，但它指向哪里呢？上述代码没有将地址赋给 fellow。那么 223323 将被放在哪里呢？我们不知道。由于 fellow 没有被初始化，它可能有任何值。不管值是什么，程序都将它解释为存储 223323 的地址。如果 fellow 的值碰巧为 1200，计算机将把数据放在地址 1200 上，即使这恰巧是程序代码的地址。fellow 指向的地方很可能并不是所要存储 223323 的地方。这种错误可能会导致一些最隐匿、最难以跟踪的 bug。

警告：

一定要在对指针应用解除引用运算符（*）之前，将指针初始化为一个确定的、适当的地址。这是关于使用指针的金科玉律。

4.7.3 指针和数字

指针不是整型，虽然计算机通常把地址当作整数来处理。从概念上看，指针与整数是截然不同的类型。整数是可以执行加、减、除等运算的数字，而指针描述的是位置，将两个地址相乘没有任何意义。从可以对整数和指针执行的操作上看，它们也是彼此不同的。因此，不能简单地将整数赋给指针：

在这里，左边是指向 int 的指针，因此可以把它赋给地址，但右边是一个整数。您可能知道，0xB8000000 是老式计算机系统中视频内存的组合段偏移地址，但这条语句并没有告诉程序，这个数字就是一个地址。在 C99 标准发布之前，C 语言允许这样赋值。但 C++在类型一致方面的要求更严格，编译器将显示一条错误消息，通告类型不匹配。要将数字值作为地址来使用，应通过强制类型转换将数字转换为适当的地址类型：

这样，赋值语句的两边都是整数的地址，因此这样赋值有效。注意，pt 是 int 值的地址并不意味着 pt 本身的类型是 int。例如，在有些平台中，int 类型是个 2 字节值，而地址是个 4 字节值。

指针还有其他一些有趣的特性，这将在合适的时候讨论。下面看看如何使用指针来管理运行阶段的内存空间分配。

4.7.4 使用 new 来分配内存

对指针的工作方式有一定了解后，来看看它如何实现在程序运行时分配内存。前面我们都将指针初始化为变量的地址；变量是在编译时分配的有名称的内存，而指针只是为可以通过名称直接访问的内存提供了一个别名。指针真正的用武之地在于，在运行阶段分配未命名的内存以存储值。在这种情况下，只能通过指针来访问内存。在 C 语言中，可以用库函数 malloc( ) 来分配内存；在 C++中仍然可以这样做，但 C++还有更好的方法—new 运算符。

下面来试试这种新技术，在运行阶段为一个 int 值分配未命名的内存，并使用指针来访问这个值。这里的关键所在是 C++的 new 运算符。程序员要告诉 new，需要为哪种数据类型分配内存；new 将找到一个长度正确的内存块，并返回该内存块的地址。程序员的责任是将该地址赋给一个指针。下面是一个这样的示例：

new int 告诉程序，需要适合存储 int 的内存。new 运算符根据类型来确定需要多少字节的内存。然后，它找到这样的内存，并返回其地址。接下来，将地址赋给 pn，pn 是被声明为指向 int 的指针。现在，pn 是地址，而*pn 是存储在那里的值。将这种方法与将变量的地址赋给指针进行比较：

在这两种情况（pn 和 pt）下，都是将一个 int 变量的地址赋给了指针。在第二种情况下，可以通过名称 higgens 来访问该 int，在第一种情况下，则只能通过该指针进行访问。这引出了一个问题：pn 指向的内存没有名称，如何称呼它呢？我们说 pn 指向一个数据对象，这里的“对象”不是“面向对象编程”中的对象，而是一样“东西”。术语“数据对象”比“变量”更通用，它指的是为数据项分配的内存块。因此，变量也是数据对象，但 pn 指向的内存不是变量。乍一看，处理数据对象的指针方法可能不太好用，但它使程序在管理内存方面有更大的控制权。

为一个数据对象（可以是结构，也可以是基本类型）获得并指定分配内存的通用格式如下：

需要在两个地方指定数据类型：用来指定需要什么样的内存和用来声明合适的指针。当然，如果已经声明了相应类型的指针，则可以使用该指针，而不用再声明一个新的指针。程序清单 4.17 演示了如何将 new 用于两种不同的类型。

程序清单 4.17 use_new.cpp

下面是该程序的输出：

当然，内存位置的准确值随系统而异。

程序说明

该程序使用 new 分别为 int 类型和 double 类型的数据对象分配内存。这是在程序运行时进行的。指针 pt 和 pd 指向这两个数据对象，如果没有它们，将无法访问这些内存单元。有了这两个指针，就可以像使用变量那样使用*pt 和*pd 了。将值赋给*pt 和*pd，从而将这些值赋给新的数据对象。同样，可以通过打印*pt 和*pd 来显示这些值。

该程序还指出了必须声明指针所指向的类型的原因之一。地址本身只指出了对象存储地址的开始，而没有指出其类型（使用的字节数）。从这两个值的地址可以知道，它们都只是数字，并没有提供类型或长度信息。另外，指向 int 的指针的长度与指向 double 的指针相同。它们都是地址，但由于 use_new.cpp 声明了指针的类型，因此程序知道*pd 是 8 个字节的 double 值，*pt 是 4 个字节的 int 值。use_new.cpp 打印*pd 的值时，cout 知道要读取多少字节以及如何解释它们。

对于指针，需要指出的另一点是，new 分配的内存块通常与常规变量声明分配的内存块不同。变量 nights 和 pd 的值都存储在被称为栈（stack）的内存区域中，而 new 从被称为堆（heap）或自由存储区（free store）的内存区域分配内存。第 9 章将更详细地讨论这一点。

内存被耗尽？

计算机可能会由于没有足够的内存而无法满足 new 的请求。在这种情况下，new 通常会引发异常—一种将在第 15 章讨论的错误处理技术；而在较老的实现中，new 将返回 0。在 C++中，值为 0 的指针被称为空指针（null pointer）。C++确保空指针不会指向有效的数据，因此它常被用来表示运算符或函数失败（如果成功，它们将返回一个有用的指针）。将在第 6 章讨论的 if 语句可帮助您处理这种问题；就目前而言，您只需如下要点：C++提供了检测并处理内存分配失败的工具。

4.7.5 使用 delete 释放内存

当需要内存时，可以使用 new 来请求，这只是 C++内存管理数据包中有魅力的一个方面。另一个方面是 delete 运算符，它使得在使用完内存后，能够将其归还给内存池，这是通向最有效地使用内存的关键一步。归还或释放（free）的内存可供程序的其他部分使用。使用 delete 时，后面要加上指向内存块的指针（这些内存块最初是用 new 分配的）：

这将释放 ps 指向的内存，但不会删除指针 ps 本身。例如，可以将 ps 重新指向另一个新分配的内存块。一定要配对地使用 new 和 delete；否则将发生内存泄漏（memory leak），也就是说，被分配的内存再也无法使用了。如果内存泄漏严重，则程序将由于不断寻找更多内存而终止。

不要尝试释放已经释放的内存块，C++标准指出，这样做的结果将是不确定的，这意味着什么情况都可能发生。另外，不能使用 delete 来释放声明变量所获得的内存：

警告：

只能用 delete 来释放使用 new 分配的内存。然而，对空指针使用 delete 是安全的。

注意，使用 delete 的关键在于，将它用于 new 分配的内存。这并不意味着要使用用于 new 的指针，而是用于 new 的地址：

一般来说，不要创建两个指向同一个内存块的指针，因为这将增加错误地删除同一个内存块两次的可能性。但稍后您会看到，对于返回指针的函数，使用另一个指针确实有道理。

4.7.6 使用 new 来创建动态数组

如果程序只需要一个值，则可能会声明一个简单变量，因为对于管理一个小型数据对象来说，这样做比使用 new 和指针更简单，尽管给人留下的印象不那么深刻。通常，对于大型数据（如数组、字符串和结构），应使用 new，这正是 new 的用武之地。例如，假设要编写一个程序，它是否需要数组取决于运行时用户提供的信息。如果通过声明来创建数组，则在程序被编译时将为它分配内存空间。不管程序最终是否使用数组，数组都在那里，它占用了内存。在编译时给数组分配内存被称为静态联编（static binding），意味着数组是在编译时加入到程序中的。但使用 new 时，如果在运行阶段需要数组，则创建它；如果不需要，则不创建。还可以在程序运行时选择数组的长度。这被称为动态联编（dynamic binding），意味着数组是在程序运行时创建的。这种数组叫作动态数组（dynamic array）。使用静态联编时，必须在编写程序时指定数组的长度；使用动态联编时，程序将在运行时确定数组的长度。

下面来看一下关于动态数组的两个基本问题：如何使用 C++的 new 运算符创建数组以及如何使用指针访问数组元素。

1．使用 new 创建动态数组

在 C++中，创建动态数组很容易；只要将数组的元素类型和元素数目告诉 new 即可。必须在类型名后加上方括号，其中包含元素数目。例如，要创建一个包含 10 个 int 元素的数组，可以这样做：

new 运算符返回第一个元素的地址。在这个例子中，该地址被赋给指针 psome。

当程序使用完 new 分配的内存块时，应使用 delete 释放它们。然而，对于使用 new 创建的数组，应使用另一种格式的 delete 来释放：

方括号告诉程序，应释放整个数组，而不仅仅是指针指向的元素。请注意 delete 和指针之间的方括号。如果使用 new 时，不带方括号，则使用 delete 时，也不应带方括号。如果使用 new 时带方括号，则使用 delete 时也应带方括号。C++的早期版本无法识别方括号表示法。然而，对于 ANSI/ISO 标准来说，new 与 delete 的格式不匹配导致的后果是不确定的，这意味着程序员不能依赖于某种特定的行为。下面是一个例子：

总之，使用 new 和 delete 时，应遵守以下规则。

• 不要使用 delete 来释放不是 new 分配的内存。
• 不要使用 delete 释放同一个内存块两次。
• 如果使用 new [ ]为数组分配内存，则应使用 delete [ ]来释放。
• 如果使用 new [ ]为一个实体分配内存，则应使用 delete（没有方括号）来释放。
• 对空指针应用 delete 是安全的。

现在我们回过头来讨论动态数组。psome 是指向一个 int（数组第一个元素）的指针。您的责任是跟踪内存块中的元素个数。也就是说，由于编译器不能对 psome 是指向 10 个整数中的第 1 个这种情况进行跟踪，因此编写程序时，必须让程序跟踪元素的数目。

实际上，程序确实跟踪了分配的内存量，以便以后使用 delete [ ]运算符时能够正确地释放这些内存。但这种信息不是公用的，例如，不能使用 sizeof 运算符来确定动态分配的数组包含的字节数。

为数组分配内存的通用格式如下：

使用 new 运算符可以确保内存块足以存储 num_elements 个类型为 type_name 的元素，而 pointer_name 将指向第 1 个元素。下面将会看到，可以以使用数组名的方式来使用 pointer_name。

2．使用动态数组

创建动态数组后，如何使用它呢？首先，从概念上考虑这个问题。下面的语句创建指针 psome，它指向包含 10 个 int 值的内存块中的第 1 个元素：

可以将它看作是一根指向该元素的手指。假设 int 占 4 个字节，则将手指沿正确的方向移动 4 个字节，手指将指向第 2 个元素。总共有 10 个元素，这就是手指的移动范围。因此，new 语句提供了识别内存块中每个元素所需的全部信息。

现在从实际角度考虑这个问题。如何访问其中的元素呢？第一个元素不成问题。由于 psome 指向数组的第 1 个元素，因此*psome 是第 1 个元素的值。这样，还有 9 个元素。如果没有使用过 C 语言，下面这种最简单的方法可能会令您大吃一惊：只要把指针当作数组名使用即可。也就是说，对于第 1 个元素，可以使用 psome[0]，而不是*psome；对于第 2 个元素，可以使用 psome[1]，依此类推。这样，使用指针来访问动态数组就非常简单了，虽然还不知道为何这种方法管用。可以这样做的原因是，C 和 C++内部都使用指针来处理数组。数组和指针基本等价是 C 和 C++的优点之一（这在有时候也是个问题，但这是另一码事）。稍后将更详细地介绍这种等同性。首先，程序清单 4.18 演示了如何使用 new 来创建动态数组以及使用数组表示法来访问元素；它还指出了指针和真正的数组名之间的根本差别。

程序清单 4.18 arraynew.cpp

下面是该程序的输出：

从中可知，arraynew.cpp 将指针 p3 当作数组名来使用，p3[0]为第 1 个元素，依次类推。下面的代码行指出了数组名和指针之间的根本差别：

不能修改数组名的值。但指针是变量，因此可以修改它的值。请注意将 p3 加 1 的效果。表达式 p3[0]现在指的是数组的第 2 个值。因此，将 p3 加 1 导致它指向第 2 个元素而不是第 1 个。将它减 1 后，指针将指向原来的值，这样程序便可以给 delete[ ]提供正确的地址。

相邻的 int 地址通常相差 2 个字节或 4 个字节，而将 p3 加 1 后，它将指向下一个元素的地址，这表明指针算术有一些特别的地方。情况确实如此。