C++内存管理与指针操作详解

### C++ 内存管理与指针操作详解 #### 1. 字符串复制优化 在 C++ 中，字符串复制是常见操作。最初的字符串复制代码如下： ```cpp while (*q != 0) { *p++ = *q++; } *p = 0; // terminating zero ``` 这里通过循环将 `q` 指向的字符串逐个字符复制到 `p` 指向的位置，最后添加终止符 `0`。 由于 `*p++ = *q++` 的值就是 `*q`，我们可以将代码改写为： ```cpp while ((*p++ = *q++) != 0) { } ``` 在这个版本中，当 `*q` 为 `0` 时，我们已经将其复制到 `*p` 并对 `p` 进行了递增操作，所以可以省略最后的终止符赋值操作。 进一步优化，我们发现空代码块和 `!= 0` 条件是多余的，因为整数条件的结果总是与 `0` 进行比较，最终得到简洁版本： ```cpp while (*p++ = *q++) ; ``` 对于有经验的 C 或 C++ 程序员来说，这个版本的可读性并不差。而且除了调用 `strlen()` 的第一个版本外，性能基本相当，编译器通常会生成相同的代码。 最有效的复制以零结尾的字符串的方法通常是使用标准 C 风格的字符串复制函数： ```cpp char* strcpy(char*, const char*); // from <string.h> ``` 对于更通用的复制操作，可以使用标准复制算法。尽可能使用标准库功能，而不是手动操作指针和字节，因为标准库函数可能会被内联，甚至使用专门的机器指令实现。在认为手动编写的代码性能优于库函数之前，应该仔细测试，因为在不同的硬件和编译器组合下，优势可能并不存在，而且维护起来可能会很麻烦。 #### 2. 自由存储区（Free Store） 在 C++ 中，命名对象的生命周期由其作用域决定。但有时需要创建独立于创建它的作用域的对象，例如在函数返回后仍能使用的对象。`new` 运算符可以创建这样的对象，`delete` 运算符用于销毁它们。通过 `new` 分配的对象被称为“在自由存储区”（也称为“在堆上”或“在动态内存中”）。 以下是一个编译器中语法分析函数构建表达式树的示例： ```cpp struct Enode { Token_value oper; Enode* left; Enode* right; // ... }; Enode* expr(bool get) { Enode* left = term(get); for (;;) { switch (ts.current().kind) { case Kind::plus: case Kind::minus: left = new Enode {ts.current().kind,left,term(true)}; break; default: return left; // return node } } } ``` 在 `Kind::plus` 和 `Kind::minus` 情况下，会在自由存储区创建一个新的 `Enode` 对象，并使用 `{ts.current().kind,left,term(true)}` 进行初始化，最终将结果指针赋值给 `left` 并从 `expr()` 函数返回。 使用 `{}` 列表符号指定参数，也可以使用旧式的 `()` 列表符号指定初始化器，但使用 `=` 符号初始化 `new` 创建的对象会导致错误，例如： ```cpp int* p = new int = 7; // error ``` 如果类型有默认构造函数，可以省略初始化器，但内置类型默认是未初始化的。例如： ```cpp auto pc = new complex<double>; // the complex is initialized to {0,0} auto pi = new int; // the int is uninitialized ``` 为了确保得到默认初始化，使用 `{}`： ```cpp auto pc = new complex<double>{}; // the complex is initialized to {0,0} auto pi = new int{}; // the int is initialized to 0 ``` 代码生成器可以使用 `expr()` 创建的 `Enode` 对象并进行删除： ```cpp void generate(Enode* n) { switch (n->oper) { case Kind::plus: // use n delete n; // delete an Enode from the free store } } ``` 通过 `new` 创建的对象会一直存在，直到被 `delete` 显式销毁，之后其占用的空间可以被 `new` 再次使用。C++ 实现不保证存在“垃圾回收器”来处理未引用的对象，因此通常需要手动使用 `delete` 释放对象。 `delete` 运算符只能应用于 `new` 返回的指针或 `nullptr`，对 `nullptr` 使用 `delete` 没有效果。如果删除的对象是具有析构函数的类的对象，`delete` 会在释放对象内存之前调用析构函数。 #### 3. 内存管理问题 自由存储区存在以下主要问题： - **对象泄漏**：使用 `new` 分配对象后忘记使用 `delete` 删除。 - **过早删除**：删除一个对象后，仍然使用指向该对象的其他指针。 - **双重删除**：一个对象被删除两次，可能会导致析构函数被调用两次。 对象泄漏可能会导致程序耗尽空间，过早删除通常会导致指针不再指向有效对象，读写该指针可能会得到错误结果或破坏其他对象。双重删除是一个严重问题，因为资源管理器通常无法跟踪资源的所有权，可能会导致未定义行为，结果不可预测且通常是灾难性的。 以下是一个非常糟糕的代码示例： ```cpp int* p1 = new int{99}; int* p2 = p1; // potential trouble delete p1; // now p2 doesn't point to a valid object p1 = nullptr; // gives a false sense of safety char* p3 = new char{'x'}; // p3 may now point to the memory pointed to by p2 *p2 = 999; // this may cause trouble cout << *p3 << '\n'; // may not print x ``` ```cpp void sloppy() // very bad code { int* p = new int[1000]; // acquire memory // ... use *p ... delete[] p; // release memory // ... wait a while ... delete[] p; // but sloppy() does not own *p } ``` 为了避免这些问题，可以采用以下两种资源管理方法： 1. **避免不必要的自由存储区使用**：如果不需要，尽量使用作用域内的变量。 2. **使用资源管理对象**：当在自由存储区创建对象时，将其指针放入具有析构函数的管理对象（有时称为句柄）中。例如 `string`、`vector` 等标准库容器，以及 `unique_ptr` 和 `shared_ptr` 等智能指针。尽可能让管理对象成为作用域内的变量。许多传统的自由存储区使用场景可以通过移动语义来避免。 以下是使用 `vector` 和 `string` 的示例： ```cpp void f(const ```