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1、 动态内存分配动态内存分配本章首先介绍程序运行时本章首先介绍程序运行时动态内存分配动态内存分配（dynamic dynamic memory allocationmemory allocation）的概念与方法。到目前为止，本）的概念与方法。到目前为止，本教材介绍的程序设计中，变量和对象在教材介绍的程序设计中，变量和对象在内存中的分配内存中的分配都都是编译器在是编译器在编译程序时安排编译程序时安排好了的，这带来了极大的不好了的，这带来了极大的不便，如数组必须大开小用，指针必须指向一个已经存在便，如数组必须大开小用，指针必须指向一个已经存在的变量或对象。动态内存分配解决了这个问题。本章将的变量或
2、对象。动态内存分配解决了这个问题。本章将进一步讨论拷贝构造函数。进一步讨论拷贝构造函数。堆内存分配堆内存分配 堆内存的分配与释放堆内存的分配与释放 堆对象与构造函数堆对象与构造函数 浅拷贝与深拷贝浅拷贝与深拷贝 C/C+C/C+定义了定义了4 4个内存区间：代码区，个内存区间：代码区，全局变量与静态变量区，局部变量区全局变量与静态变量区，局部变量区即栈区，即栈区，动态存储区，即堆（动态存储区，即堆（heapheap）区或自由存储区（区或自由存储区（free storefree store）。通常定义变量（或对象），编译器在通常定义变量（或对象），编译器在编译时都可以根据该变量（或对象）编译时都
3、可以根据该变量（或对象）的类型知道所需内存空间的大小，从的类型知道所需内存空间的大小，从而系统在适当的时候为他们分配确定而系统在适当的时候为他们分配确定的存储空间。这种内存分配称为的存储空间。这种内存分配称为静态静态存储分配存储分配有些操作对象只有在程序运行时才能有些操作对象只有在程序运行时才能确定，这样编译器在编译时就无法为确定，这样编译器在编译时就无法为他们预定存储空间，只能在程序运行他们预定存储空间，只能在程序运行时，系统根据运行时的要求进行内存时，系统根据运行时的要求进行内存分配，这种方法称为分配，这种方法称为动态存储分配动态存储分配。所有动态存储分配都在堆区中进行。所有动态存储分配都
4、在堆区中进行。堆内存的分配与释放堆内存的分配与释放当当程程序序运运行行到到需需要要一一个个动动态态分分配配的的变变量量或或对对象象时时，必必须须向向系系统统申申请请取取得得堆堆中中的的一一块块所所需需大大小小的的存存贮贮空空间间，用用于于存存贮贮该该变变量量或或对对象象。当当不不再再使使用用该该变变量量或或对对象象时时，也也就就是是它它的的生生命命结结束束时时，要要显显式式释释放放它它所所占占用用的的存存贮贮空空间间，这这样样系系统统就就能能对对该堆空间进行再次分配，做到重复使用有限的资源。该堆空间进行再次分配，做到重复使用有限的资源。在在C+中中，申申请请和和释释放放堆堆中中分分配配的的存存
5、贮贮空空间间，分分别别使使用用new和和delete的两个运算符来完成，其使用的格式如下：的两个运算符来完成，其使用的格式如下：指针变量名指针变量名=new 类型名类型名(初始化式初始化式)；delete 指针名指针名;new运算符运算符返回返回的是一个指向所分配类型变量（对象）的是一个指向所分配类型变量（对象）的的指针指针。对所创建的变量或对象，都是通过该指针来间接操。对所创建的变量或对象，都是通过该指针来间接操作的，而作的，而动态创建的对象本身没有名字。动态创建的对象本身没有名字。堆内存的分配与释放堆内存的分配与释放一般定义变量和对象时要用标识符命名，称一般定义变量和对象时要用标识符命名，
6、称命名对象命名对象，而动态，而动态的称的称无名对象无名对象(请注意与栈区中的临时对象的区别，两者完全请注意与栈区中的临时对象的区别，两者完全不同：生命期不同，操作方法不同，临时变量对程序员是透明不同：生命期不同，操作方法不同，临时变量对程序员是透明的的)。堆区是不会自动在分配时做初始化的（包括清零），所。堆区是不会自动在分配时做初始化的（包括清零），所以必须用初始化式以必须用初始化式(initializerinitializer)来显式初始化。来显式初始化。newnew表达式的表达式的操作序列如下：操作序列如下：从堆区分配对象，然后用括号中的值初始化该从堆区分配对象，然后用括号中的值初始化该对
7、象对象。从堆区分配对象时，。从堆区分配对象时，newnew表达式调用库操作符表达式调用库操作符new()new()。例。例如：如：intint*pi=new int(0);*pi=new int(0);它与下列代码序列它与下列代码序列大体大体等价：等价：intint ivalival=0;=0;intint*pi=&*pi=&ivalival;只是只是pipi现在所指向的变量是由库操作符现在所指向的变量是由库操作符new()new()分配的，位于程分配的，位于程序的堆区中，并且该序的堆区中，并且该对象未命名对象未命名。堆内存的分配与释放堆内存的分配与释放堆堆i下面看演示：下面看演示：用初始化式
8、用初始化式(initializerinitializer)来显式初始化来显式初始化 intint*pi=new int(0);*pi=new int(0);当当pipi生命周期结束时，生命周期结束时，必须释放必须释放pipi所指向的目标：所指向的目标：delete pi;delete pi;注意这时释放了注意这时释放了pipi所指的目标的内存空间，也就是撤销了该所指的目标的内存空间，也就是撤销了该目标，称动态内存释放（目标，称动态内存释放（dynamic memory dynamic memory deallocationdeallocation），），但但指针指针pipi本身并没有撤销本身并
9、没有撤销，它自己仍然存在，该指针所占内，它自己仍然存在，该指针所占内存空间并未释放。存空间并未释放。堆内存的分配与释放堆内存的分配与释放对于数组进行动态分配的格式为：对于数组进行动态分配的格式为：指针变量名指针变量名=new=new 类型名类型名 下标表达式下标表达式;delete delete 指向该数组的指针变量名指向该数组的指针变量名;两式中的两式中的方括号方括号是非常重要的，两者必须配对使用，如果是非常重要的，两者必须配对使用，如果delete语句中少了方括号，因编译器认为该指针是指向数语句中少了方括号，因编译器认为该指针是指向数组第一个元素的指针，会产生组第一个元素的指针，会产生回收
10、不彻底回收不彻底的问题（的问题（只回收只回收了第一个元素所占空间了第一个元素所占空间），），加了方括号后就转化为指向数加了方括号后就转化为指向数组的指针，回收整个数组组的指针，回收整个数组。delete 的方括号中的方括号中不需要不需要填填数组元素数数组元素数，系统自知。即使写了，编译器也忽略。，系统自知。即使写了，编译器也忽略。请注意请注意“下标表达式下标表达式”不是常量表达式不是常量表达式，即它的值不必在，即它的值不必在编译时确定，编译时确定，可以在运行时确定可以在运行时确定。堆内存的分配与释放堆内存的分配与释放【例例7.1】动态数组的建立与撤销动态数组的建立与撤销#include#inc
11、lude void main()int n;char*pc;cout请输入动态数组的元素个数请输入动态数组的元素个数n;/在运行时确定，在运行时确定，可输入可输入17pc=new charn;/申请申请17个字符（可装个字符（可装8个汉字和一个结束符）的内存空间个汉字和一个结束符）的内存空间strcpy(pc,堆内存的动态分配堆内存的动态分配);coutpcendl;delete pc;/释放释放pc所指向的所指向的n个字符的内存空间个字符的内存空间return;堆内存的分配与释放堆内存的分配与释放动态分配数组有三个特点：动态分配数组有三个特点：1.变量变量n在编译时没有确定的值，而是在运行中
12、输入，在编译时没有确定的值，而是在运行中输入，按按运行时所需分配堆空间运行时所需分配堆空间，这一点是动态分配的优点，可，这一点是动态分配的优点，可克服数组克服数组“大开小用大开小用”的弊端，在表、排序与查找中的的弊端，在表、排序与查找中的算法，若用动态数组，通用性更佳。算法，若用动态数组，通用性更佳。delete pc是将是将n个字符的空间释放，而用个字符的空间释放，而用delete pc则只释放了一个字则只释放了一个字符的空间；符的空间；2.如果有一个如果有一个char*pc1，令，令pc1=p，同样可用，同样可用delete pc1来释放该空间。尽管来释放该空间。尽管C+不对数组作边界检查
13、，不对数组作边界检查，但但在堆空间分配时，对数组分配空间大小是纪录在案的在堆空间分配时，对数组分配空间大小是纪录在案的。3.没有初始化式（没有初始化式（initializer），），不可对数组初始化不可对数组初始化。堆内存的分配与释放堆内存的分配与释放多维数组动态分配：多维数组动态分配：new 类型名类型名下标表达式下标表达式1 下标表达式下标表达式2;建立一个动态三维数组建立一个动态三维数组float(*cp)3020;/指向一个指向一个30行行20列数组列数组的指针的指针cp=new float 15 30 20;/建立由建立由15个个30*20数组组成的数组；数组组成的数组；注意注意cp
14、等效于三维数组名，但没有指出其边界，即等效于三维数组名，但没有指出其边界，即最高维的元素数量，就像指向字符的指针即等效一个最高维的元素数量，就像指向字符的指针即等效一个字符串字符串,不要把指向字符的指针，说成指向字符串的不要把指向字符的指针，说成指向字符串的指针。这与数组的嵌套定义相一致。指针。这与数组的嵌套定义相一致。堆内存的分配与释放堆内存的分配与释放比较：比较：float(*cp)30 20;/三级指针；三级指针；float(*bp)20;/二级指针；二级指针；cp=new float 1 20 30;bp=new float 30 20;两个数组都是由两个数组都是由600个浮点数组成，
15、前者是只有个浮点数组成，前者是只有一个元素的三维数组一个元素的三维数组，每个元素为，每个元素为30行行20列的二列的二维数组，而另一个是有维数组，而另一个是有30个元素的二维数组个元素的二维数组，每，每个元素为个元素为20个元素的一维数组。删除这两个动态个元素的一维数组。删除这两个动态数组可用下式：数组可用下式：delete cp;/删除（释放）三维数组；删除（释放）三维数组；delete bp;/删除（释放）二维数组；删除（释放）二维数组；堆内存的分配与释放堆内存的分配与释放【例例】动态创建和删除一个动态创建和删除一个m*n个元素的数组。采用个元素的数组。采用指针数组方式指针数组方式来来完成
16、二维数组的动态创建。完成二维数组的动态创建。const int m=4;/行数行数const int n=6;/列数列数先看二维数组的动态创建：先看二维数组的动态创建：void main()double*data;/如果改成如果改成 double(*data)n;后面如何改动后面如何改动 data=new double*m;/设置行设置行 if(data)=0)cout Couuld not allocate.Bye.;return;for(int j=0;jm;j+)dataj=new doublen;/设置列设置列 if(dataj=0)cout Couuld not allocate.B
17、ye.;return;for(int i=0;im;i+)for(int j=0;jn;j+)dataij=i*n+j;/初始化数组元素初始化数组元素 coutdataijendl;de_allocate(data);return;堆内存的分配与释放堆内存的分配与释放再再看二维数组的撤销与内存释放：看二维数组的撤销与内存释放：void de_allocate(double*data)for(int i=0;im;i+)delete datai;/注意撤销次序，先列后行，与设置相反注意撤销次序，先列后行，与设置相反 delete data;指针使用的几个问题：指针使用的几个问题：动态分配失败。动
18、态分配失败。返回一个空指针（返回一个空指针（NULL），表示），表示发生了异常，堆资源不足，分配失败。发生了异常，堆资源不足，分配失败。指针删除与堆空间释放。删除一个指针指针删除与堆空间释放。删除一个指针p（delete p;）实际意思是删除了实际意思是删除了p所指的目标（变量或对象等），释放了它所指的目标（变量或对象等），释放了它所占的堆空间，而不是删除本身，释放堆空间后，成了所占的堆空间，而不是删除本身，释放堆空间后，成了空空悬指针悬指针。堆内存的分配与释放堆内存的分配与释放内存泄漏（内存泄漏（memory leak）和重复释放）和重复释放。new与与delete 是配对使用的，是配对使用
19、的，delete只能释放堆空间。如果只能释放堆空间。如果new返回的指针值丢失，则所分配的堆空间无法回收，称返回的指针值丢失，则所分配的堆空间无法回收，称内存泄漏，同一空间重复释放也是危险的，因为内存泄漏，同一空间重复释放也是危险的，因为该空间可该空间可能已另分配能已另分配，所以必须妥善保存，所以必须妥善保存new返回的指针，以保证返回的指针，以保证不发生内存泄漏，也必须保证不会重复释放堆内存空间。不发生内存泄漏，也必须保证不会重复释放堆内存空间。动态分配的变量或对象的生命期。动态分配的变量或对象的生命期。无名对象的生命期无名对象的生命期并不依赖于建立它的作用域，比如在函数中建立的动态对并不依
20、赖于建立它的作用域，比如在函数中建立的动态对象在函数返回后仍可使用。象在函数返回后仍可使用。我们也称堆空间为自由空间我们也称堆空间为自由空间（free store）就是这个原因。）就是这个原因。但必须记住释放该对象所但必须记住释放该对象所占堆空间，并只能释放一次，在函数内建立，而在函数外占堆空间，并只能释放一次，在函数内建立，而在函数外释放是一件很容易释放是一件很容易失控失控的事，往往会出错。的事，往往会出错。堆对象与构造函数堆对象与构造函数 通过通过newnew建立的对象要调用构造函数，通过建立的对象要调用构造函数，通过deletedelete删除对象删除对象也要调用析构函数。也要调用析构函
21、数。CGoods*pc;pc=new CGoods;/分配堆空间，并构造一个无名的分配堆空间，并构造一个无名的CGoods对象；对象；.delete pc;/先析构先析构，然后将内存空间返回给堆；，然后将内存空间返回给堆；堆对象的生命期并不依赖于建立它的作用域，所以除非程序堆对象的生命期并不依赖于建立它的作用域，所以除非程序结束，堆对象（无名对象）的生命期不会到期，并且需要显式结束，堆对象（无名对象）的生命期不会到期，并且需要显式地用地用delete语句析构堆对象，上面的堆对象在执行语句析构堆对象，上面的堆对象在执行delete语句时，语句时，C+自动调用其析构函数。自动调用其析构函数。正因为
22、构造函数可以有参数，所以正因为构造函数可以有参数，所以newnew后面类（后面类（classclass）类型也）类型也可以有参数。这些参数即构造函数的参数。但对创建数组，则可以有参数。这些参数即构造函数的参数。但对创建数组，则无参数，并只调用缺省的构造函数。见下例类说明：无参数，并只调用缺省的构造函数。见下例类说明：堆对象与构造函数堆对象与构造函数class CGoods char Name21;int Amount;float Price;float Total_value;public:CGoods();/缺省构造函数。缺省构造函数。/因已有构造函数，系统不会自动生成，必须显式说明因已有构
23、造函数，系统不会自动生成，必须显式说明。CGoods(char*name,int amount,float price)strcpy(Name,name);Amount=amount;Price=price;Total_value=price*amount;堆对象与构造函数堆对象与构造函数下面注意如何使用：下面注意如何使用：void main()int n;CGoods*pc,*pc1,*pc2;pc=new CGoods(“夏利夏利2000”，10，118000);/调用三参数构造函数调用三参数构造函数 pc1=new CGoods();/调用缺省构造函数调用缺省构造函数 cout“输入商品
24、类数组元素数输入商品类数组元素数”n;pc2=new CGoodsn;/动态建立数组，不能初始化，调用动态建立数组，不能初始化，调用n次缺省构造函数次缺省构造函数 delete pc;delete pc1;delete pc2;堆对象与构造函数堆对象与构造函数这这里里再再次次强强调调：由由堆堆区区创创建建对对象象数数组组，只只能能调调用用缺缺省省的的构构造造函函数数，不不能能调调用用其其他他任任何何构构造造函函数数。如如果果没没有有缺缺省省的的构造函数，则不能创建堆区的对象数组。构造函数，则不能创建堆区的对象数组。浅拷贝与深拷贝浅拷贝与深拷贝 缺省拷贝构造函数缺省拷贝构造函数，可用一个类对象初
25、始化另一个，可用一个类对象初始化另一个类对象，称为缺省的类对象，称为缺省的按成员拷贝，按成员拷贝，而不是对整个类对象而不是对整个类对象的的按位拷贝。按位拷贝。这称为这称为浅拷贝。浅拷贝。P堆堆 对对象象堆堆 对对象象PP 图图1 浅拷贝浅拷贝 拷贝前拷贝前拷贝后拷贝后 浅拷贝与深拷贝浅拷贝与深拷贝如果类中有一个数据成员为指针，如果类中有一个数据成员为指针，该类的一个对象该类的一个对象obj1中的这个指针中的这个指针p，指，指向了动态分配的一个堆对象，（参见图向了动态分配的一个堆对象，（参见图1拷贝前），如果用拷贝前），如果用obj1按成员拷贝了一按成员拷贝了一个对象个对象obj2，这时，这时o
26、bj2.p也指向同一个也指向同一个堆对象。当析构时，如用缺省的析构函堆对象。当析构时，如用缺省的析构函数，则动态分配的堆对象不能回收。如数，则动态分配的堆对象不能回收。如果在析构函数中有果在析构函数中有“delete p;”语句，则语句，则如果先析构函数如果先析构函数obj1时，堆对象已经释时，堆对象已经释放，以后再析构放，以后再析构obj2时出现了二次释放时出现了二次释放的问题。这时就要重新定义拷贝的构造的问题。这时就要重新定义拷贝的构造函数，给每个对象独立分配一个堆对象，函数，给每个对象独立分配一个堆对象，称称深拷贝深拷贝。这时这时先拷贝对象主体，再为先拷贝对象主体，再为obj2分配一个堆
27、对象，最后用分配一个堆对象，最后用obj1的堆的堆对象拷贝对象拷贝obj2的堆对象的堆对象。堆堆 对对象象PP堆堆 对对象象 图图2 深拷贝深拷贝 浅拷贝与深拷贝浅拷贝与深拷贝例例7.3定义拷贝（定义拷贝（copy structor）和拷贝赋值操作符（）和拷贝赋值操作符（copy Assignment Operator）实现深拷贝。）实现深拷贝。学生类定义：学生类定义：class studentchar*pName;/指针成员指针成员public:student();student(char*pname);student(student&s);/拷贝构造函数拷贝构造函数student();st
28、udent&operator=(student&s);/拷贝赋值操作符拷贝赋值操作符;缺省构造函数：缺省构造函数：student:student()coutConstructor;pName=NULL;cout缺省缺省endl;浅拷贝与深拷贝浅拷贝与深拷贝带参数带参数构造函数：构造函数：student:student(char*pname)coutConstructor;if(pName=new charstrlen(pname)+1)strcpy(pName,pname);coutpNameendl;拷贝构造函数：拷贝构造函数：student:student(student&s)coutCo
29、py Constructor;if(s.pName)if(pName=new charstrlen(s.pName)+1)strcpy(pName,s.pName);/加一不可少，否则串结束符冲了其他信息，析构会出错！加一不可少，否则串结束符冲了其他信息，析构会出错！else pName=NULL;coutpNameendl;浅拷贝与深拷贝浅拷贝与深拷贝析构函数：析构函数：student:student()coutDestructorpNameendl;if(pName)pName0=0;delete pName;/释放字符串释放字符串拷贝赋值操作符：拷贝赋值操作符：student&stude
30、nt:operator=(student&s)coutCopy Assign operator;delete pName;/如原来已分配，应先撤销，再重分配如原来已分配，应先撤销，再重分配 if(s.pName)if(pName=new charstrlen(s.pName)+1)strcpy(pName,s.pName);else pName=NULL;coutpNameendl;return*this;浅拷贝与深拷贝浅拷贝与深拷贝 堆内存是最常用的需要拷贝构造函数自定义的堆内存是最常用的需要拷贝构造函数自定义的资源。如果类需要析构函数来析构资源，则类也需资源。如果类需要析构函数来析构资源，则类也需要一个自定义的拷贝构造函数。对象的拷贝就是深要一个自定义的拷贝构造函数。对象的拷贝就是深拷贝了拷贝了。