文章目录

指针
- 1、指针概述
- - 1.1 存储器和存储地址空间
  - 1.2 内存地址
  - 1.3 指针和指针变量
- 2、声明和初始化指针变量
- - 2.1 指针变量的声明
  - 2.2 指针变量的初始化
- 3、使用指针变量
- - 3.1 解除引用
  - 3.2 野指针和空指针
- 4、指针的宽度和跨度
- - 4.1 自身类型和指向类型
  - 4.2 指针变量所取内容的宽度
  - 4.3 指针变量加1的跨度
- 5、指针数组
- 6、二级指针
- 7、数组的地址
- 8、`new` 和 `delete` 运算符
- - 8.1 使用 `new` 分配内存
  - 8.2 使用 `delete` 释放内存
- 9、动态数组的创建
- - 9.1 使用 `new` 创建动态数组
  - 9.2 使用 `new` 和 `delete` 的规则
- 10、动态结构体的创建
C++ 内存管理
- 1、C++ 的内存划分
- 2、C++ 管理数据内存的方式
- 3、内存泄漏
类型别名
字符函数库 —— `cctype`

指针

1、指针概述

1.1 存储器和存储地址空间

存储器：计算机的组成中，用来存储程序和数据，辅助 CPU 进行运算处理的重要部分。
- 内存：内部存储器，暂存程序或数据，掉电丢失。如 SRAM、DRAM、DDR3、DDR4；
- 外存：外部存储器，长时间保存程序或数据，掉电不丢失。ROM、FLASH、硬盘、光盘；
内存是沟通 CPU 和硬盘的桥梁：
- 暂时存放 CPU 中的运算数据；
- 暂时存放与硬盘等外部存储器交换的数据；
存储地址空间：对存储器编码的范围。
- 编码：对每个物理存储单元（一个字节）分配一个号码；
- 寻址：根据分配的号码找到相应的存储单元，完成数据的读写；

1.2 内存地址

将内存抽象为一个很大的一维字符数组，通过编码为内存的每一个字节分配一个32位或64位的编号，这个内存编号就被称为内存地址（唯一）；
内存中的数据会被分配不同的地址个数。例如 char 占一个字节分配一个地址，int 占四个字节分配四个地址…
对变量应用地址运算符 & 可以获取其在内存中的地址。例如对于变量 int num，则 &num 就是它的地址；

1.3 指针和指针变量

指针：和 int、double 等基础数据类型类似，是一种独立的数据类型，不同的前者存储的是实在的数据，但是指针这种类型存储的是指向这些数据的内存地址；
指针变量：本质就是变量，只是该变量存储的是内存地址，而不是普通的数据。不同类型的指针变量所占用的存储单元长度是相同的；
为什么要使用指针类型来保存地址值：
- 编译时类型检查；
- 指明一个内存地址所保存的二进制数据该怎么解释；

2、声明和初始化指针变量

2.1 指针变量的声明

数据类型 * 变量名;	int * num;
数据类型 *变量名;	int *num;
数据类型* 变量名;	int* num;

这里需要强调的是，数据类型* 才是指针变量的数据类型，如 int*、double* 等等。而对于在哪里添加空格，对于编译器来说没有任何区别。

* 前面的类型是什么，*num 中就存储的是什么类型的数据。如 int* p，说明 *p 获取的是 int 型数据，但是存储地址的变量 p 的长度都是相同的，它取决于计算机系统。*p 这种形式的表示方法的意思之后会介绍。

注意：对每一个指针变量名，都需要使用一个 *：

int* p1, p2;	// 声明创建一个指针变量p1和一个int类型变量p2
int *p1, *p2;	// 声明创建一个指针变量p1和一个指针变量p2

2.2 指针变量的初始化

在声明语句中初始化指针变量：
```
int num = 5;
int *pt_num = &num;
```
声明指针变量后对其进行初始化：
```
double d = 2.0;
double *pt_d;
pt_d = &d;
```

指针变量

3、使用指针变量

3.1 解除引用

* 运算符称为间接值（indirect value）或解除引用运算符，将其应用于指针变量，可以得到该地址处存储的值；
即假如 ptr 是一个指针变量，则 ptr 存储的是一个地址，而 *ptr 表示存储在该地址处的值；
一定要在对指针变量应用解除引用之前，将指针变量初始化为一个确定的、适当的地址。因为在 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：
```
long *ptr;
*ptr = 22332223;	// 不能这样赋值！！
```
若分配给 ptr 的地址中有重要的数据、甚至是系统值，此时给里面赋值，很可能就造成错误！

不能简单的将整数赋值给指针变量，指针不是整型：

// int *ptr = 0xN8000000;	// 错误！！

int *ptr = (int *)0xB8000000;

3.2 野指针和空指针

任意数值赋值给指针变量没有意义，这样的指针变量就是野指针，野指针指向的区域是未知的；
野指针不会直接引发错误，操作野指针指向的内存区域可能会出问题；
在 C++ 中，值为 0 的指针变量被称为空指针（null pointer）。空指针不会指向有效的数据；
在 C++ 中，空指针的值可以用 0、NULL、nullptr 来展示；
C++ 提供了检测并处理内存分配失败的工具，后面再讨论；

4、指针的宽度和跨度

4.1 自身类型和指向类型

指针变量的自身类型：去掉变量名，剩余的部分就是指针变量的自身类型，例如 int * 或 int **；
指针变量的指向类型：去掉变量名和离它最近的一个 *，剩余的部分就是指针变量指向的类型，例如 int 或 int *；

4.2 指针变量所取内容的宽度

指针变量所取内容的宽度是由指针变量所指向的类型长度决定的。

例如 int *p1 = (int *)0x01020304;，p1 指向 int 类型，所取内容宽度为 4；short *p2 = (short *)0x01020304;，p2 指向 short 类型，所取内容宽度为 2。

4.3 指针变量加1的跨度

指针变量加1的跨度是由指针变量所指向的类型的大小决定。

例如，int 类型所占的字节数为4，那么它的指针变量加1，就会跨越4个地址。

5、指针数组

指针数组的本质是数组，数组中的每个元素都是指针类型。

int num1 = 1;
int num2 = 2;
int num3 = 3;
int num4 = 4;

int *arr[4];
arr[0] = &num1;
arr[1] = &num2;
arr[2] = &num3;
arr[3] = &num4;

// 另一种赋值
int *arr[4] = {&num1, &num2, &num3, &num4};

指针数组

6、二级指针

如果一个指针指向的是另外一个指针，称它为二级指针，或者指向指针的指针。

int num = 5;	// 内存中一块空间存储了5
int *p = &num;	// p存储了指向这块空间的地址，*p获取的是num的数值5
int **q = &p;	// q存储了指向p的内存地址，*q表示p中存储的地址值，**q获取的是num的值5

二级指针

7、数组的地址

一个数组的数组名被解释为其第一个元素的地址，而对数组名应用地址运算符时，得到的是整个数组的地址。

short tell[10];
cout << tell << endl;	// 0x61fe00；展示 &tell[0] 的地址
cout << (tell + 1) << endl;	// 0x61fe02；加了2
cout << &tell << endl;	// 0x61fe00；展示整个数组的地址
cout << (&tell + 1) << endl;	// 0x61fe14；因为十六进制，所以加20为0x14
cout << sizeof(tell) << endl;   // 20；将 sizeof 用于数组名，返回整个数组的长度（单位为字节）

虽然 tell 和 &tell 的两个地址在结果上是一样的，但从概念上 &tell[0](即 tell) 是一个 2 字节内存块的地址，而 &tell 是一个 20 字节的内存块地址。因此 tell+1 将地址值加2，而 &tell + 1 将地址加20。

具体的 &tell 是怎么来的呢？语句如下：

short (*pas)[10] = &tell;

8、`new` 和 `delete` 运算符

8.1 使用 `new` 分配内存

C++ 中可以使用 new 运算符在运行阶段分配内存；

动态分配内存的格式：

typeName *pointer = new typeName;
// 例如
int *p = new int;

new 运算符返回该内存的地址；
数据对象指的是为数据项分配的内存块；
动态分配内存使程序在管理内存方面有更大的控制权；
new 分配的内存块通常与常规变量声明分配的内存块不同。变量的值都存储在栈内存（stack）区域中；而 new 运算符从堆（heap）或自由存储区（free store）的内存区域分配内存，所以最后一定要记得释放内存；

8.2 使用 `delete` 释放内存

delete 运算符可以在使用完内存后，将内存归还给内存池。归还或释放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变量（内存块是由 new 分配）：
```
int *p = new int;
...
delete p;
```

注意：

一定要配对使用 new 和 delete，斗则会发生内存泄漏（memory leak）；
不要释放已经释放的内存块；
不能使用 delete 来释放声明变量所获得的内存；

9、动态数组的创建

9.1 使用 `new` 创建动态数组

通常对于大型数据（如数组、字符串和结构），应使用 new 来分配；
创建动态数组需要将数组的元素类型和元素个数数目告诉 new，格式如下：
```
typeName *pointer = new typeName[num];
// 例如
int *p = new int[10];
```
new 运算符返回第一个元素的地址；
通过指针变量 pointer 来操作数组；
对于使用 new 创建的数组，应使用 delete [] 来释放：
```
delete [] p;
```

9.2 使用 `new` 和 `delete` 的规则

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 来释放；
对空指针应用 delete 是安全的（不会有任何事情发生）；

10、动态结构体的创建

将 new 用于结构体由两步组成：创建动态结构体和访问其成员。

创建动态结构体的方式跟普通类型完全相同，格式如下：

typeName *pointer = new typeName;
// 例如：
struct student {
	int id;
    string name;
};
student *stu = new student;

访问动态结构体的成员：
```
(*stu).id;
// 或者
stu->id;
```

C++ 内存管理

1、C++ 的内存划分

栈区：由编译器自动分配与释放，存放为运行时的函数分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。其操作类似于数据结构中的栈；
堆区：一般由程序员自动分配，如果程序员没有释放，程序结束时可能由系统回收；
全局区（静态区）：存放全局变量、静态数据。程序结束后由系统释放；
常量区（文字常量区）：存放常量值，如字符串常量。不允许修改，程序结束后由系统释放；
代码区：存放函数体（类成员函数和全局区）的二进制代码；

2、C++ 管理数据内存的方式

C++ 根据用于分配内存的方法，有 3 种管理数据内存的方式：自动存储、静态存储、动态存储。这 3 种方式分配的数据对象存在时间的长短方面各不相同。

自动存储：在函数内部定义的常规变量使用自动存储空间，被称为自动变量。它们在所属的函数被调用时自动产生，在该函数结束时自动消亡。自动变量通常存储在栈内存中。
静态存储：静态存储是整个程序执行期间都存在的存储方式。使变量称为静态的方式有两种：一种是在函数外面定义它；另一种是在声明变量时使用关键字 static：
```
static int num = 10;
```
动态存储：new 和 delete 运算符提供了一种比自动变量和静态变量更灵活的方法。它们管理了一个内存池，这在 C++ 种被称为自由存储空间或堆。该内存池跟用于静态变量和自动变量的内存是分开的。在栈中，自动添加和删除机制使得占用的内存总是连续的，但 new 和 delete 的相互影响可能导致占用的自由存储区不连续，这使得跟踪新分配内存的位置更困难。

3、内存泄漏

如果使用 new 运算符在自由存储空间（或堆）上创建变量后，没有调用 delete，即使指针变量的内存被释放，但在自由存储空间上动态分配的内存也将继续存在。因为指向这些内存的指针无效，这样将无法访问自由存储空间中的这些内存，从而导致内存泄漏。

被泄露的内存在程序整个生命周期内都不可使用，因为这些内存被分配出去但无法收回。

内存泄漏可能会非常严重，以致于应用程序可用的内存被耗尽，导致程序崩溃。要避免内存泄漏，最好是养成同时使用 new 和 delete 运算符的习惯，在自由存储空间上动态分配内存，随后便释放它。

类型别名

C++ 为类型建立别名的方式有两种，一种是使用预处理器，另一种是使用 C++ 的关键字 typedef 来创建别名。

使用预处理器
```
#define BYTE char
```
预处理器在编译阶段将所有的 char 替换成 BYTE。

使用关键字 typedef：

typedef typeName aliasName;	// 为 typeName 起了个别名 aliasName
// 例如：
typedef char byte;
typedef char* byte_pointer;

由于预处理器的局限，例如 #define FLOAT_POINTER float*，将其作用在 FLOAT_POINTER pa, pb; 时，真实情况是 float *pa, pb;。它只会将 pa 定义成指针变量。

但是 typedef 方法不会出现上面的问题，它能够处理更复杂的类型别名。

注意：typedef 不会创建新的类型，而是为已有的类型建议一个别名！

字符函数库 —— `cctype`

C++ 从 C 语言种继承了一个与字符相关的、非常方便的函数软件包，它可以简化诸如确定字符是否为大写字母、数字、标点符号等工作。在 C 语言中的老式风格为 ctype.h。

函数名称	返回值
isalnum()	如果字符是字母或数字，返回true，否则false
isalpha()	如果字符是字母，返回true
iscntrl()	如果字符是控制字符，返回true
isdigit()	如果字符是数字（0~9），返回true
isgraph()	如果字符是除空格之外的打印字符，返回true
islower()	如果字符是小写字母，返回true
isprint()	如果字符是打印字符（包括空格），返回true
ispunct()	如果字符是标点符号，返回true
isspace()	如果字符是标准空白字符，如空格、进纸、换行符、回车、水平制表符、垂直制表符，返回true
isupper()	如果字符是大写字母，返回true
isxdigit()	如果字符是十六进制数字（0~9、a~f、A~F），返回true
tolower()	如果字符为大写，返回其小写，否则返回本身
toupper()	如果字符为小写，返回其大写，否则返回本身