c++primier第十二章类和动态内存

本章内容包括：

• 对类成员使用动态内存分配
• 隐式和显式地复制构造函数
• 隐式和显式地重载赋值操作符
• 在构造函数中使用new所必须完成的工作
• 使用静态类成员

• 将布局new操作符用于对象
• 使用指向对象的指针
• 实现队列抽象数据类型(ADT)

 动态内存和类

复习范例和静态类成员

首先设计一个 StringBad类,然后设计一个功能稍强的 String类。

StringBad 和 String 类对象将包含一个字符串指针和一个表示字符串长度的值。这里使用 StingBad 和String 类，主要是为了深入了解 new、delete 和静态类成员的工作原理。因此，构造函数和析构函数调用时将显示一些消息，以便读者能够按照提示来完成操作。

对这个声明，需要注意的有两点。首先，它使用char指针(而不是char 数组)来表示姓名。这意味着类声明没有为字符串本身分配存储空间，而是在构造函数中使用new来为字符串分配空间。这避免了在类声明中预先定义字符串的长度。

strngbad.h

#include <iostream>
#ifndef STRNGBAD_H_
#define STRNGBAD_H_class StringBad
{
private:char *str;int len;static int num_strings;public:StringBad(const char *s);StringBad();~StringBad(); // destructor// friend functionfriend std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const StringBad &st);
};
#endif

strngbad.cpp

#include <cstring>
#include "strngbad.h"
using std::cout;// initialjzing static class member
int StringBad::num_strings = 0;
// class methods
// construct StringBad fromC string
StringBad::StringBad(const char *s)
{len = std::strlen(s);str = new char[len + 1];std::strcpy(str, s);num_strings++;cout << num_strings << ": \" " << str << "\" object created\n";
}StringBad::StringBad()
{len = 4;str = new char[4];std::strcpy(str, "C++");num_strings++;cout << num_strings << ": \"" << str << "\"default object created\n";
}
StringBad::~StringBad()
{cout << "\"" << str << "\" object deleted, ";--num_strings;cout << num_strings << "left\n";delete[] str;
}
std::ostream &operator<<(std::ostream &os, const StringBad &st)
{os << st.str;return os;
}

这条语句将静态成员num stings的值初始化为0。请注意，不能在类声明中初始化静态成员变量，这是因为声明描述了如何分配内存，但并不分配内存。

初始化是在方法文件中，而不是在类声明文件中进行的，这是因为类声明位于头文件中，程序可能将头文件包括在其他几个文件中。如果在头文件中进行初始化，将出现多个初始化语句副本，从而引发错误。

析构函数首先指出自己何时被调用。这部分包含了丰富的信息，但并不是必不可少的。不过，delete语句却是至关重要的。str 成员指向new 分配的内存。当StringBad 对象过期时，str 指针也将过期。但 str指向的内存仍被分配，除非使用deete 将其释放。删除对象可以释放对象本身占用的内存，但并不能自动释放属于对象成员的指针指向的内存。因此，必须使用析构函数。在析构函数中使用delete 语句可确保对象过期时，由构造函数使用 new分配的内存被释放。

vegnews.cpp

#include <iostream>
using std::cout;
#include "strngbad.h"void callme1(StringBad &); // pass by reference
void callme2(StringBad);   // pass by value
int main()
{using std::endl;StringBad headlinel("Celery stalks at Midnight");StringBad headline2("Lettuce Prey");StringBad sports("Spinach Leaves Bowl for Dollars");cout << "headlinel:" << headlinel << endl;cout << "headline2:" << headline2 << endl;cout << "sports:" << sports << endl;callme1(headlinel);cout << "headlinel:" << headlinel << endl;callme2(headline2);cout << "headline2:" << headline2 << endl;cout << "Initialize one object to another:\n";StringBad sailor = sports;cout << "sailor:" << sailor << endl;cout << "Assign one object to another:\n";StringBad knot;knot = headlinel;cout << "knot: " << knot << endl;cout << " End of main()\n ";return 0;
}void callme1(StringBad &rsb)
{cout << "String passed by reference: \n";cout << "    \"" << rsb << "\"\n";
}void callme2(StringBad sb)
{cout << "String passed by value: \n";cout << sb << "\"\n";
}

提前中断

程序说明

callme1()按引用传递没有发生问题

callme2()按值传递发生问题

首先，将 headline2作为函数参数来传递从而导致析构函数被调用。其次，虽然按值传递可以防止原始参数被修改，但实际上函数已使原始字符串无法识别，导致显示一些非标准字符(显示的具体内存取决于内存中包含的内容)。

当您使用一个对象来初始化另一个对象时，编译器将自动生成上述构造函数(称为复制构造函数，因为它创建对象的一个副本)。自动生成的构造函数不知道需要更新静态变量num_strings，因此会将计数方案搞乱。实际上，这个例子说明的所有问题都是由编译器自动生成的成员函数引起的，下面介绍这主题。

除去所有赋值操作，结果显示正常。

隐式成员函数

StringBad 类中的问题是由自动定义的隐式成员函数引起的,这种函数的行为与类设计不符。

具体来说C++自动提供了下面这些成员函数:

• 默认构造函数，如果没有定义构造函数
• 复制构造函数，如果没有定义
• 赋值操作符，如果没有定义
• 默认析构函数，如果没有定义
• 地址操作符，如果没有定义

 更准确地说，编译器将生成上述最后4个函数的定义---如果程序使用对象的方式要求这样做。例如，如果您将:个对象赋给另一个对象，编译器将提供赋值操作符的定义。

结果表明，StringBad 类中的问题是由隐式复制构造函数和隐式赋值操作符引起的。

默认构造函数

复制构造函数

复制构造函数的问题

注意：

 使用显式复制构造函数

解决类设计中这种问题的方法是进行深度复制(deepcopy)。

复制构造函数应当复制字符串并将副本的地址赋给s成员，而不仅仅是复制字符串地址。这样每个对象都有自己的字符串，而不是引用另一个对象的字符串。

调用析构函数时都将释放不同的字符串，而不会试图去释放已经被释放的字符串。

可以这样编写Sting的复制构造函数:

必须定义复制构造函数的原因在于，
一些类成员是使用new初始化的、指向数据的指针，而不是数据本身。

赋值操作符

C++允许类对象赋值，这是通过自动为类重载赋值操作符实现的。
这种操作符的原型如下:

赋值的问题 

解决赋值的问题

对于由于默认赋值操作符不合适而导致的问题，解决办法是提供赋值操作符(进行深度复制)定义其实现与复制构造函数相似，但也有一些差别

 代码首先检查自我复制，这是通过查看赋值操作符右边的地址(&s)是否与接收对象(this)的地址相同来完成的。如果相同，程序将返回*this，然后结束。

如果地址不同，函数将释放 str指向的内存，这是因为稍后将把一个新字符串的地址赋给 str。如果不首先使用 delete操作符，则上述字符串将保留在内存中。由于程序中不再包含指向该字符串的指针，因此这些内存被浪费掉。

改进后的新String类

头文件

// string1.h -- fixed and augmented string class definition
#include <iostream>
using std::istream;
using std::ostream;
#ifndef STRINGl_H_
#define STRINGI_H_
class String
{
private:char *str;int len;// pointer to string// length of stringstatic int num_strings;       // number of objectsstatic const int CINLIM = 80; // cin input limit
public:// constructors and other methodsString(const char *s);  // constructorString();               //.default constructorString(const String &); // copy constructor~String();// destructorint length() const { return len; }// overloaded operator methodsString &operator=(const String &);String &operator=(const char *);char &operator[](int i);const char &operator[](int i) const;// overloaded operator friendsfriend bool operator<(const String &st, const String &st2);friend bool operator>(const String &stl, const String &st2);friend bool operator==(const String &st, const String &st2);friend ostream &operator<<(ostream &os, const String &st);friend istream &operator>>(istream &is, String &st); // static functionstatic int HowMany();
};#endif

方法文件

string1.cpp

// stringl.cppString class methods
#include <cstring>
#include "string1.h" //includes <iostream>
using std::cin;
using std::cout;int String::num_strings = 0;
// static method
int String::HowMany()
{return num_strings;
}
// class methods
String::String(const char *s) // construct String fromC string
{len = std::strlen(s);// set size// allot storagestr = new char[len + 1];std::strcpy(str, s);num_strings++;
}String::String()
{len = 4;str = new char[1];str[0] = '\0';// default stringnum_strings++;
}String::String(const String &st)
{num_strings++;len = st.len;str = new char[len + 1];std::strcpy(str, st.str);
}String::~String()
{--num_strings;delete[] str;
}String &String::operator=(const String &st)
{if (this == &st)return *this;delete[] str;len = st.len;str = new char[len + 1];std::strcpy(str, st.str);return *this;
}
// assign aC string to a string
String &String::operator=(const char *s)
{delete[] str;len = std::strlen(s);str = new char[len + 1];std::strcpy(str, s);return *this;
}char &String::operator[](int i)
{return str[i];
}// read-only char access for const String
const char &String::operator[](int i) const
{return str[i];
}
// overloaded operator friends
bool operator<(const String &st1, const String &st2)
{return (std::strcmp(st1.str, st2.str) < 0);
}
bool operator>(const String &stl, const String &st2)
{return st2.str < stl.str;
}
bool operator==(const String &stl, const String &st2)
{return (std::strcmp(stl.str, st2.str) == 0);
}// simple String output
ostream &operator<<(ostream &os, const String &st)
{os << st.str;return os;
}// quick and dirty string input
istream &operator>>(istream &is, String &st)
{char temp[String::CINLIM];is.get(temp, String::CINLIM);if (is)st = temp;while (is && is.get() != '\n')continue;return is;
}

 程序文件

#include <iostream>
#include "string1.h"
const int ArSize = 10;
const int MaxLen = 81;
int main()
{using std::cin;using std::cout;using std::endl;String name;cout << "Hi,what's your name?\n>>";cin >> name;cout << name << ",please enter upto " << ArSize<< "short sayings <empty line to quit>:\n";String sayings[ArSize]; // array of objectschar temp[MaxLen];      // temporary string storageint i;for (i = 0; i < ArSize; i++){cout << i + 1 << ": ";cin.get(temp, MaxLen);while (cin && cin.get() != '\n')continue;if (!cin || temp[0] == '\0') // empty linebreak;                   // i not incrementedelsesayings[i] = temp; // overloaded assignment}int total = i;// total # of lines readcout << "Here are your sayings:\n";for (i = 0; i < total; i++)cout << sayings[i][0] << ":" << sayings[i] << endl;int shortest = 0;int first = 0;for (i = 1; i < total; i++){if (sayings[i].length() < sayings[shortest].length())shortest = i;if (sayings[i] < sayings[first])first = i;}cout << "shortest saying:\n"<< sayings[shortest] << endl;cout << "First alphabetically:\n"<< sayings[first] << endl;cout << "This program used " << String::HowMany()<< "String objects. Bye.\n";return 0;
}

运行结果

在构造函数中使用new时应注意的事项

有关返回对象的说明

返回指向const对象的引用

使用const引用的常见原因是旨在提高效率，但对于何时可以采用这种方式存在一些限制。

如果函数返回(通过调用对象的方法或将对象作为参数)传递给它的对象，可以通过传递引用来提高方法的效率。例如，假设要编写函数 Max()，它返回两个 Vector 对象中较大的一个返回对象将调用复制构造函数，而返回引用不会。

引用指向的对象应该在调用函数执行时存在。

第三，v1和v2都被声明为 const引用，因此返回类型必须为const，这样才匹配。

返回非const对象的引用

cout 能连续输出；

返回对象

返回指向对象的指针

加入指针的程序

#include <iostream>
#include "string1.h"
#include <ctime>
const int ArSize = 10;
const int MaxLen = 81;
int main()
{using namespace std;String name;cout << "Hi,what's your name?\n>>";cin >> name;cout << name << ",please enter upto " << ArSize<< "short sayings <empty line to quit>:\n";String sayings[ArSize]; // array of objectschar temp[MaxLen];      // temporary string storageint i;for (i = 0; i < ArSize; i++){cout << i + 1 << ": ";cin.get(temp, MaxLen);while (cin && cin.get() != '\n')continue;if (!cin || temp[0] == '\0') // empty linebreak;                   // i not incrementedelsesayings[i] = temp; // overloaded assignment}int total = i;// total # of lines readif (total > 0){cout << "Here are your sayings:\n";for (i = 0; i < total; i++)cout << sayings[i] << endl;String *shortest = &sayings[0];String *first = &sayings[0];for (i = 1; i < total; i++){if (sayings[i].length() < shortest->length())shortest = &sayings[i];if (sayings[i] < *first)first = &sayings[i];}cout << "shortest saying:\n"<< *shortest << endl;cout << "First alphabetically:\n"<< *first << endl;srand(time(0));int choice = rand() % total;String *favorite = new String(sayings[choice]);cout << "My favorite saying: \n " << *favorite << endl;delete favorite;}elsecout << "No much to say, eh?\n";cout << "Bye.\n";return 0;
}

析构函数的调用

• 如果对象是动态变量，则当执行完定义该对象的程序块时，将调用该对象的析构函数。
• 如果对象是静态变量(外部、静态、静态外部或来自名称空间)，则在程序结束时将调用对象的析构函数。
• 如果对象是用new 创建的，则仅当您显式使用 delete 删除对象时，其析构函数才会被调用。

 指针和对象小结

再谈布局new操作符

#include <iostream>
#include <string>
#include <new>
using namespace std;
const int BUF = 512;
class JustTesting
{
private:string words;int number;public:JustTesting(const string &s = "Just Testing", int n = 0){words = s;number = n;cout << words << "constructed\n";}~JustTesting() { cout << words << " destroyed\n"; }void Show() const{cout << words << ", " << number << endl;}
};int main()
{char *buffer = new char[BUF];// get a block of memoryJustTesting *pc1, *pc2;// place object in bufferpc1 = new (buffer) JustTesting;pc2 = new JustTesting("Heap1", 20); // place object on heapcout << "Memory block addresses:\n"<< "buffer: " << (void *)buffer << "    heap : " << pc2 << endl;cout << " Memory contents :\n ";cout << pc1 << " : ";pc1->Show();cout << pc2 << " : ";pc2->Show();JustTesting *pc3, *pc4;pc3 = new (buffer) JustTesting("Bad Idea", 6);pc4 = new JustTesting("Heap2", 10);cout << "Memory contents:\n";cout << pc3 << ": ";pc3->Show();cout << pc4 << ": ";pc4->Show();delete pc2;delete pc4;delete[] buffer;cout << "Done\n";return 0;
}

在使用布局new操作符时存在两个问题。首先，在创建第二个对象时，布局new操作符使用一-个新对象来覆盖用于第一个对象的内存单元。显然，如果类动态地为其成员分配内存，这将引发问题。
其次,将 delete用于 pc2 和 pc4 时,将自动调用为 pc2 和 pc4 指向的对象调用析构函数;然而,将 delete[]用于 bufer 时，不会为使用布局 new 操作符创建的对象调用析构函数。

解决方法

一

二
 

原因在于 delete 可与常规 new 操作符配合使用，但不能与布局new操作符配合使用。

例如，指针 pc3没有收到 new 操作符返回的地址，因此 delete pc3 将导致运行阶段错误。在另一方面，指针 pc1指向的地址与 buffer 相同,但 buffer 是使用new[]初始化的,因此必须使用 delete[]而不是 delete 来释放。

即使 buffer是使用 new而不是new[]初始化的，delete pc1也将释放buffer，而不是 pc1。这是因为 new/delete 系统知道已分配的 512 字节块 buffer，但对布局new 操作符对该内存块做了何种处理一无所知。

#include <iostream>
#include <string>
#include <new>
using namespace std;
const int BUF = 512;
class JustTesting
{
private:string words;int number;public:JustTesting(const string &s = "Just Testing", int n = 0){words = s;number = n;cout << words << "constructed\n";}~JustTesting() { cout << words << " destroyed\n"; }void Show() const{cout << words << ", " << number << endl;}
};int main()
{char *buffer = new char[BUF];// get a block of memoryJustTesting *pc1, *pc2;// place object in bufferpc1 = new (buffer) JustTesting;pc2 = new JustTesting("Heap1", 20); // place object on heapcout << "Memory block addresses:\n"<< "buffer: " << (void *)buffer << "    heap : " << pc2 << endl;cout << " Memory contents :\n ";cout << pc1 << " : ";pc1->Show();cout << pc2 << " : ";pc2->Show();JustTesting *pc3, *pc4;pc3 = new (buffer + sizeof(JustTesting)) JustTesting("Bad Idea", 6);pc4 = new JustTesting("Heap2", 10);cout << "Memory contents:\n";cout << pc3 << ": ";pc3->Show();cout << pc4 << ": ";pc4->Show();delete pc2;delete pc4;pc3->~JustTesting();pc1->~JustTesting();delete[] buffer;cout << "Done\n";return 0;
}

 

复习各种技术

重载<<操作符

重新定义<<操作符，定义下面友元操作函数：

转换函数

其构造函数使用new的类