【C++指针】搭建起程序与内存深度交互的桥梁（下）

news2025/4/1 5:44:14

 

 

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        往者不可谏，来者犹可追——《论语·微子篇》

        译文：过去的事情已经无法挽回，未来的岁月还可以迎头赶上。   

目录

C++内存模型

new与delete动态分配内存

动态分配单个变量(例如; int* ptr = new int(10))

动态分配数组(例如 int* arr = new int[5] )

分配内存失败的情况

一维数组与指针

使用数组名/和数组名加下标访问数组中元素及其地址

使用指针访问数组中元素及其地址

二维数组与指针

行指针

函数指针

指针用作函数参数

用函数指针来传递函数

 

C++内存模型

 

        栈区：由编译器自动管理，用于存储局部变量、函数参数和返回地址。每当调用一个函数时，会在栈上分配一块新的栈帧，函数执行完毕后，栈帧自动释放。

        堆区：也被叫做自由存储区，由程序员手动管理。通过new操作符在堆上分配内存，使用delete操作符释放内存。

        数据存储区：用于存放全局变量和静态变量。在程序启动时分配内存，程序结束时释放内存。

        代码区：用于存放程序的可执行代码。代码区是只读的，防止程序在运行过程中被意外修改。

栈区和堆区区别

  1. 管理方式不同：栈区是系统自动管理的，在离开作用域时，会自动释放
  2. 空间大小不同：栈区大小操作系统预先设定，一般只有8M。如果在栈上分配的内存超过了栈的最大容量，会导致栈溢出（Stack Overflow）错误；堆区空间仅受限与物理内存空间，所以相对较大。
  3. 效率不同：栈区内存的分配和释放速度非常快，因为它只需要移动栈指针；而堆区内存分配和释放需要操作系统复杂的操作。

new与delete动态分配内存

new：动态分配内存

delete:  释放分配的内存

在堆区动态分配内存的步骤：

  1. 声明一个指针
  2. 用new运算符向系统的堆区申请一块内存，并用指针指向这块内存
  3. 通过解引用的方式，来取出这块内存中的值
  4. 当这块内存不用时，需用delete来释放它

动态分配内存的两类：

动态分配单个变量(例如; int* ptr = new int(10))

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

解析：

  • int* p = new int(2);

        首先在堆区new申请了一块内存，这块内存是int型，接着初始化该内存的值为2，最后返回新分配内存的地址，用一个int类型的指针来指向他。

  • delete p;

        释放这块内存

动态分配数组(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<<"个值"<<*(arry+i)<<std::endl;
    }
    delete[] arry;

解析：

  • int* arry = new int[8];

        首先new申请了一块内存，这块内存存储的是一个含有8位int型数据的数组，最后返回新分配内存的地址，用一个int类型的指针来指向他。这里的arry代表数组的首地址。

  •  *(arry+i) = i;

        通过循环和解引用的方式为数组中每个数赋值。

  • delete[] arry;

        释放这块内存

分配内存失败的情况

        如果需要分配含有大量的数据的数组，那么栈空间上分配是远远不够的，需要在堆区分配。但是如果内存分配失败，则会导致程序崩溃，但是我们不希望这样，我们可以在内存分配失败的时候捕捉到这个错误。

使用std::nothrow

int main(int argc, char const *argv[])
{

   int* arry = new(std::nothrow)int[100000];
   if(arry == nullptr)std::cout<<"分配内存失败"<<std::endl;
   else{
    std::cout<<"分配内存成功"<<std::endl;
    arry[99999] = 0;
    delete[] arry;
   }
   
    return 0;
}

 

一维数组与指针

使用数组名/和数组名加下标访问数组中元素及其地址

int arry[3] = {2,4,6};
std::cout<<"数组"<<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：

  • 数组的名称/数组第一个元素的地址 是同一个地址
  • 数组名+n：数组第n个元素的地址
  • 数组名[n]：数组第n个元素的内容

使用指针访问数组中元素及其地址

int* p = arry;
std::cout<<"指针"<<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：

        如果将数组名称赋给一个指针变量，实际上是将数组的首地址赋给了指针。

  • 指针+n：数组第n个元素的地址
  • *(指针+n)：数组第n个元素的内容

对于C++而言

数组名[下标] 解释为 *(数组名首地址+下标)

地址[下标] 解释为 *(地址+下标)

输出

两者是一样的

二维数组与指针

在讲二维数组之前，有必要去介绍对一个一维数组名取地址

void func2()
{
    int a[3] = {6,7,8};
    std::cout<<"数组第一个元素的地址："<<a<<std::endl;
    std::cout<<"数组第一个元素的地址+1："<<a+1<<std::endl;
    std::cout<<"数组的地址："<<&a<<std::endl;//即为地址的地址，是一个行指针
    std::cout<<"数组的地址+1："<<&a+1<<std::endl;
    int (*p)[3] = &a;//正确
    // int *p2 = &a;//错误S
}

解析：

       我们都知道数组名a是代表数组第一个元素的地址，但是&a是数组的地址，虽然a和&a的地址是相同的，但是二者有着不同的类型。

        a的类型是 int*

        &a的类型是 int(*p)[],即行指针。

为了证明a和&a有着不同的含义，我们同时对两个地址加1测试

输出

  •  可见数组第一个元素的地址+1后，实际上是加了4，对于16进制，c后是d,e,f,0然后进位a变为b，所以是ac变b0
  • 而数组的地址+1后，发现并没有+4，而是+12，12是3*4得来的，因为数组有3个int型数据，每个数据占4个字节。
  • 这也是行指针的作用，行指针+1后，实际上加上的是这一行数组组成的数组的总长度。

行指针

对于二维数组而言。

行指针格式: 数据类型 (*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;
    // 这种方式是一个行指针，也就是说该指针p指向的是二维数组中第一个包含三个int型数据的数组的地址
    // 对该地址进行解引用，就会得到该数组的首地址，再次解引用就会得到数组中具体的值。
    std::cout<<**p<<std::endl;//p为二维数组中每一行数组的地址，*p得到数组第一个元素的地址，**p得到数组元素的值
    std::cout<<*(*(p+1))<<std::endl;//p为二维数组中第0行数组的地址，再加1得到第1行数组的地址，解引用为第一行数组的第一个元素的地址，再解引用位第一个元素的值。
    
    std::cout<<*(*(p+1)+1)<<std::endl;//*(p+1)为第一行数组的第一个元素的地址,*(p+1)+1：再加1为第一行数组的第二个元素的地址，再解引用为第二个元素的值。
    std::cout<<*(p[1]+1)<<std::endl;//p[1]在c++中被解释为*(p+1)
   
    // 个人理解：
    // 地址 + n：
    // 应看这个地址的类型，即这个指针的类型，如果这个指针是行指针，那么加1就是加上这一行数组的总共的字节数
    //例如p+1，p是行指针，存储的是每一行数组的地址，加1其实是加上了4*3=12个字节

    //如果这个指针是普通指针，那么加1就是加上这个数组的单个元素的字节数
    //例如*(p+1)+1，*(p+1)是普通指针，存储的是数组第一个元素的地址,加1其实是加上了4个字节

    return 0;
}

输出

函数详解：

  • int (*p)[3] = arry;

        这种方式是一个行指针，也就是说该指针p指向的是二维数组中第一个包含三个int型数据的数组的地址

  • std::cout<<**p<<std::endl;

        p为二维数组中每一行数组的地址，*p得到数组第一个元素的地址，**p得到数组元素的值

  • std::cout<<*(*(p+1))<<std::endl;

        p为二维数组中第0行数组的地址，再加1得到第1行数组的地址，解引用为第一行数组的第一个元素的地址，再解引用位第一个元素的值。

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

        *(p+1)为第一行数组的第一个元素的地址,*(p+1)+1：再加1为第一行数组的第二个元素的地址，再解引用为第二个元素的值。

  • std::cout<<*(p[1]+1)<<std::endl;

        p[1]在c++中被解释为*(p+1)

个人理解：

对于 地址 + n：

  •  应看这个地址的类型，即这个指针的类型，如果这个指针是行指针，那么加1就是加上这一行数组的总共的字节数。例如p+1，p是行指针，存储的是每一行数组的地址，加1其实是加上了4*3=12个字节
  • 如果这个指针是普通指针，那么加1就是加上这个数组的单个元素的字节数。例如*(p+1)+1，*(p+1)是普通指针，存储的是数组第一个元素的地址,加1其实是加上了4个字节

函数指针

指针用作函数参数

如果参数是一个 数组的话，必须传递数组的长度

下面用代码解释原因

#include<iostream>
void func(int* arr)
{
    std::cout<<"数组长度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<<"数组长度1="<<sizeof(arry)<<std::endl;  
    return 0;
}

输出

        在函数func中，参数是一个指针变量，使用sizeof运算符的时候，会返回这个指针的大小，而指针的大小是一个常数8（在64位操作系统）；而在main函数中，arry是一个数组名，在使用sizeof运算符的时候，会返回这个数组的大小。

        所以在func函数中，sizeof(arr)/sizeof(int)的值是8/4等于2，所以数组只打印了索引为0和1的值。

正确的做法是参数中加上数组长度

#include<iostream>
void func(int* arr,int len)
{
    std::cout<<"数组长度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<<"数组长度1="<<sizeof(arry)<<std::endl;  
    return 0;
}

输出

用函数指针来传递函数

用途：可以用一个函数来调用别的函数.

做法：将该函数的参数设置为要调用函数的指针

声明一个函数指针：

格式：返回值类型 (*函数指针名)(参数1，参数2)

通过函数指针调用函数

函数指针名(参数1，2)

在C++中，函数的名称就是函数的地址

#include<iostream>

int func2(int m)
{
    std::cout<<"函数2"<<std::endl;
    return m+1;
}
int func3(int m)
{
    std::cout<<"函数3"<<std::endl;
    return m-1;
}
void func(int(*pf)(int))
{
    std::cout<<"准备工作"<<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;
}

函数解析：

这段代码实现了函数传递函数，通过修改参数可以让不同的函数被执行。  

     主要看的是void func(int(*pf)(int))

这个函数func的参数是一个函数指针

  • 名称：pf
  • 返回值：int
  • 参数：int 可不加变量名

    func(func2);func(func3);

这个是将需要传递的函数的名称传递过去，函数的名称就是函数的地址

 输出

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