第二十章 指针 二 为指针分配和释放空间http://17de.com/library/CPP/ls20.htm#20.5.2

20.1 理解指针的两种“改变”

20.1.1 改变指针的值

20.1.2 改变指针所指的变量的值

20.1.3 两种改变？一种改变？

20.2 C++ 方式的内存分配与释放 new 和 delete

20.2.1 new

20.2.2 在new 时初始化内存的值

20.2.3 delete

20.2.4 实验： new 和 delete

20.2.5 new 和 delete 的关系

20.3 new [] 和 delete []

20.3.1 new[] / delete[] 基本用法

20.3.2 new []/ delete[] 示例

20.3.3 详解指向连续空间的指针

20.4 delete/delete[] 的两个注意点

20.4.1 一个指针被删除时，应指向最初的地址

20.4.2 已释放的空间，不可重复释放

20.5 C 方式的内存管理

20.5.1 分配内存 malloc 函数

20.5.2 释放内存 free 函数

20.5.3 重调空间的大小： realloc 函数

20.5.4 malloc、realloc、free的例子

20.1 理解指针的两种“改变”

普通变量（非指针，简单类型变量）只能改变值：

1) int a = 100;

2) ...

3) a = 200;

第 1 行代码，声明int类型变量a，并且初始化a的值为100。

到第 3 行代码，变量a的值被改变成200。

对于非指针的简单变量，能被程序改变的，只有这一种。而指针变量，似乎有两种改变。

20.1.1 改变指针的值

这一点和普通变量一致。但要特别注意，“改变指针的值”引起的结果是什么？其实就是“改变指针的指向”。

因为，指针的值是某个变量的地址。假如指针P原来的值是A变量的地址，现在改为B变量的地址。我们称为：“P由指向A改为指向B”。这就是指针的第一种改变。

以下是示例代码：

int* P;

int A,B;

1) P = &A;

2) ...

3) P = &B;

1) 行代码中，P 的值为 &A，即P指向变量A。

到3）行代码中，P的值变为&B，即改为指向变量B。

下面讲：指针的第二种改变。通过指针，改变指针所指的变量的值。

20.1.2 改变指针所指的变量的值

复习前一章，我们知道通过 * （地址解析符），可以得到、或改变指针所指的变量的值。

int* P;

int A = 100;

P = &A;

*P = 200;

cout << A << endl;

代码中加粗的那一行：*P = 200; ，其作用完全等同于：A = 200;

所以，最后一行输出的结果是 200。

这就是指针的第二种改变：所指变量的值，被改变了。

20.1.3 两种改变？一种改变？

两种改变的意义不同：

改变一：改变指针本身的值（改变指向）。

改变二：改变指针指向的变量的值。

从代码上看：

第一种改变，P = &A; 左值（等号左边的值）是变量本身，右值则是一个地址。

而第二种改变，*P = 200; 左值通过星号对P操作，来取得P指向的变量；右值是普通的值。

理解,区分对指针的两种改变，才能学会如何使用指针。

请思考：上一章讲的“指针的加减操作”，是对指针的哪一种改变？

最后需要说明，严格意义上，指针仍然只有一种改变，即改变指针本身的值。改变指针指向的变量，应视为对另一变量的改变，只不过在代码上，它通过指针来进行，而不是直接对另一变量进行操作。

为指针分配、释放内存空间

之前，我们给指针下的定义是“指针是一个变量，它存放的值是另一个变量的地址”。

比如：

int a;

int* p = &a;

看，a 就是“另一个变量”，p指向了a。

我们知道，变量总是要占用一定的内存空间，比如上面的a，就占用了4个字节（sizeof(int))。这四个字节属于谁？当然属于变量a，而不是p。

现在要讲的是：也可以单独为指针分配一段新的内存空间。这一段内容不属于某个变量。

20.2 C++ 方式的内存分配与释放 new 和 delete

在内存管理上，C++ 和 C 有着完全不同的两套方案。当然，C++的总是同时兼容C。C的那一套方案在C++里同样可行。

我们首先看看纯C++的那一套： new 和 delete。

new ，从字面上看意思为 “新”；而delete 字面意思为“删除”。二者在C++中内存管理中大致的功能，应是一个为“新建”，一个为“删除”。

20.2.1 new

new 是 c++ 的一个关键字。被当作像 +、-、* 、/ 一样的操作符。它的操作结果是在申请到一段指定数据类型大小的内存。

语法：

指针变量 = new 数据类型;

new 将做三件事：

1、主动计算指定数据类型需要的内存空间大小；

2、返回正确的指针类型；

3、在分配内存的一，将按照语法规则，初始化所分配的内存。

这是什么意思呢？看看例子吧：

int* p;

p = new int;

和以往不一样，p 这回不再“寄人篱下”，并不是指向某个已存在的变量，而是直接指向一段由new 分配而来的新内存空间。

“p 指向一段由new 分配而来的新内存空间” 这句话等同于：

“new 分配一段新的内存空间，然后将该内存空间的地址存入到变量p中。”

所以，最终p中仍然是存储了一个变量的地址，只是，这是一个“无名”变量。

指向原有的某个变量，和指向一段新分配的内存空间，有什么区别呢？

“原有的变量”，可以比喻成指向一间原有的，并且有主的房间。而“新分配的内存空间”，则像是一个“临时建筑物”。我们必须在不用它的时候，主动将它拆迁。拆迁的工作由delete来完成。

当指针变量通过 new ，而得到一个内存地址后，我们就可以像以前的所说的，通过该指针，通过*号，而对该内存地址（一个无名的变量），进行操作。

如：

int* p = new int;

*p = 100;

cout << *p << endl;

屏幕将输出100。

20.2.2 在new 时初始化内存的值

new 也可以在申请内存空间时，直接设置该段内存里要放点什么.

语法：

指针变量 = new 数据类型(初值);

这样，上例可以改为：

int* p = new int(100);

cout << *p << endl;

如果你申请的是字符类型的空间,并且想初始化为‘A'：

char* pchar = new char('A');

20.2.3 delete

语法：

delete 指针变量;

delete 将释放指定指针所指向的内存空间。

举例：

int* p;

p = new int;

*p = 100;

cout << *p << endl;

delete p;

system("PAUSE");

注意，当一个指针接受delete操作后，它就又成了一个“指向不明”的指针。尽管我们可以猜测它还是指向“原来的房子”，然而，事实上，那座“房子”已经被delete “拆迁”掉了。

20.2.4 实验： new 和 delete

很简单的例子。

第一步：

首先，在CB新建一个控制台程序。然后把上一小节的代码放到main()函数内。运行。结果如下：

(new 和 delete)

按任意键退出后，保存工程(Ctrl + Shift + S)。

第二步：

接下来我们来观察指针变量被delete之后，所指向的内存会是什么。但，这是一件犯了C、C++编程大忌的事：访问一个已经delete 的指针的值。如果你最近运气很差，你的CB可能会被强行退出。所以，你明白我们为什么要先存盘了，对不？

在前面的代码中，加入以下加粗加红的一行(同时，你也应注意我的加的注释)：

int* p;

p = new int;

*p = 100;

cout << *p << endl;

delete p;    //p所指向的内存空间已经被释放

cout << *p << endl;  //我们故意去访问此时p所指的内存

system("PAUSE");

运行结果：

（访问delete之后的指针）

44244844？？在你的机器可能不是这个数，但一定同样是怪怪的值。 原来是好端端的100，现在却成了44244844。不要问我这是为什么？昨天来时，美眉还住在这里一座别致小阁楼里，今日故地重游，这里竟成废墟一片，依稀只见破墙上尚有：“拆！——城建局”的字样？！

new 是管建房的，而 delete就一个字：拆！

请大家自行在CB上完成本实验。我没有提供本题的实际工程。

20.2.5 new 和 delete 的关系

如果只有“建房”而没有“拆房”，那么程序就会占用内存越来越多。所以，当使用new 为某个指针分配出内存空间后，一定要记得在不需要再使用时，用delete 删除。下面是一个例子。演示new 和 delete 的对应使用。

//建屋和入住：

1) int* p = new int(100);

//使用：

2) cout << *p << endl;

//拆：

3) delete p;

看，第1句，申请了4字节的内存空间，同时存入值为100的整数。

第2句，在屏幕上输出入住者的值 (100)。

第3句，释放内存（这4字节被系统收回准备做其它用途）。入住者呢？自然消失了。

前面举的例子都是在 new 一个 int 类型，其它类型也一样：

char* a = new char('A');

cout << *a << endl;

*a = 'B';

cout << *a << end;

delete a;

bool* b = new bool;

*b = true;

if (*b)

cout << "true" << endl;

else

cout << "fale" << endl;

但是这些都是简单数据类型，如果要分配数组一样的连续空间，则需要使另一对武器。

20.3 new [] 和 delete []

new / delete 用于分配和释放单个变量的空间，而 new [] / delete[] 则用于分配连续多个变量的存间。

20.3.1 new[] / delete[] 基本用法

new [] 语法:

指针变量 = new 数据类型[元素个数]

语法实例：

int* p = new int[20];

首先，你需要迅速回想一下，如果是 int* p = new int(20); 那么该是什么作用？否则你很容易在事后把二者混了。

实例中，用 new 申请分配了20个连续的整数所需的空间，即：20 * sizeof(int) = 80个字节。

图示为：

(指针变量p指向一段连续的内存空间)

new int 只是分配了一个整数的内存空间，而 new int[N]却分配了N个整数的连续空间。看来，new[] 比 new “威力更猛”，所以，我们同样得记得：用 new [] 分配出空间，当不在需要时，必须及时调用 delete [] 来释放。

delete [] 语法：

delete [] 指针变量;

如：

//分配了可以存放1000个int的连续内存空间：

int* p = new int[1000];

//然后使用这些空间：

……

//最后不需要了，及时释放：

delete [] p;

20.3.2 new []/ delete[] 示例

在 Windows XP 、Windows NT 或 Windows 2000中，按 Ctrl + Alt + Del (其它操作系统，如Windows98/Me等千万不要按些组合键，否则电脑将重启)。可以调出 Windows 任务管理器，其中要以看出当前粗略的的内存使用量。下面我们结合该工具，写一个程序，先分配100M的内存，再释放。

这是程序代码的抓图：

各步运行结果：

程序显示	任务管理器抓图
第一步：分配内存之前	（任务管理显示我的机器使用了207兆的内存）
第二步：分配了100兆的内存	(多出了100M)
第三步：又释放出这100兆	(回到207兆)

注意：使用 new 得来的空间，必须用 delete 来释放；使用 new [] 得来的空间，必须用 delete [] 来释放。彼此之间不能混用。

用 new [] 分配出连续空间后，指针变量“指向”该空间的首地址。

20.3.3 详解指向连续空间的指针

在 通过 new [] 指向连续空间以后，p 就变得和一个一维数组很是类似。我们先来复习一下数组相关知识。

假设是这么一个数组：

int arr[20];

则arr 的内存示意图为（为了不太占用版面我缩小了一点）：

(数组 arr 的内存示意)

和指针变量相比， 数组没有一个单独的内存空间而存放其内存地址。即：指针变量p是一个独立的变量，只不过它的值指向另一段连续的内存空间；而数组arr，本身代表的就是一段连续空间。

如果拿房间来比喻。指针和数组都是存放地址。只不过，指针是你口袋里的那本通讯录上写着的地址，你可以随时改变它的内容，甚至擦除。而数组是你家门楣上钉着的地址，你家原来是“复兴路甲108号”，你绝对不能趁月黑天高，把它涂改为“唐宁街10号”。

数组是“实”的地址，不能改变。当你和定义一个数组，则这个数组就得根据它在内存中的位置，得到一个地址，如上图中的“0x1A000000”。只要这个数组存在，那么它终生的地址就是这个值。

指针是一个“虚”的地址，可以改变地址的值。当你定义一个指针变量，这个变量占用4个字节的内存，你可以往这4字节的内存写入任意一个值，该值被当成一个内存地址。比如，你可以写入上面的“0x1A000000”,此时，指针p指向第一个元素。也可以改为“0x1A000003”，此时，指针p指向第二个元素。

所以，当p通过 new [] 指向一段连续空间的结果是，p 是一个指向数组的指针，而*p是它所指的数组。

我们来看实例，首先看二者的类似之处。下面左边代码使用数组，右边代码使用指针。

当指针变量 P 通过 new [] 指向一连续的内存空间:

1、p[N] 得到第N个元素 （0 <= N < 元素个数）;2、*(p + N) 同样得到第N个元素 （0 <= N < 元素个数）

如 p[0] 或 *(p + 0) 得到内存空间第0个元素；

把上面右边代码中的大部分 p 替换为 arr，则和左边代码变得一模一样。

下面再来比较二者的不同。

关于指针本身的 + 和 - 操作，请复习上一章相关内容。

接下来的问题也很重要。

20.4 delete/delete[] 的两个注意点

指针通过 new 或 new[] ，向系统“申请”得到一段内存空间，我们说过，这段内存空间必须在不需要将它释放了。有点像人类社会的终极目标“共产主义”下的“按需分配”。需要了就申请，不需要了，则主动归还。

现在问题就在于这个“主动归还”。当然，指针并不存在什么思想觉悟方面的问题，说光想申请不想归还。真正的问题是，指针在某些方面的表现似乎有些像“花心大萝卜”。请看下面代码，演示令人心酸的一幕。

/*

初始化 p  ----- p 的新婚

通过 new ，将一段新建的内存“嫁给”指针p

这一段分配的内存，就是p的原配夫妻

*/

int* p = new int[100]; 

/*

使用 p  ----- 恩爱相处

N 多年恩爱相处，此处略去不表

*/

……

/*

p 改变指向 ---- 分手

*/

int girl [100];   //第三者出现

p = girl;         //p 就这样指向 girl

/*

delete [] p ----  落幕前的灾难

终于有一天，p老了，上帝选择在这一时刻

惩罚他

*/

delete [] p;

扣除注释，上面只有4行代码。这4行代码完全符合程序世界的宪法：语法。也就是说对它们进行编译，编译器会认为它们毫无错误，轻松放行。

但在灾难在 delete [] p 时发生。

我们原意是要释放 p 最初通过 new int[100]而得到的内存空间，但事实上，p那时已经指向girl[100]了。结果，第一、最初的空间并没有被释放。第二、girl[100] 本由系统自行释放，现在我们却要强行释放它。

20.4.1 一个指针被删除时，应指向最初的地址

当一个指针通过 +,- 等操作而改变了指向；那么在释放之前，应确保其回到原来的指向。

比如：

int* p = new int[3];

*p = 1;

cout << *p << endl;

p++;    //p的指向改变了，指向了下一元素

*p = 2;

cout << *p << endl;

//错误的释放：

delete [] p;

在 delete [] p 时，p指向的是第二个元素，结果该释放将产生错位：第一个元素没有被释放，而在最后多删除了一个元素。相当你盖房时盖的是前3间，可以在拆房时，漏了头一间，从第二间开始拆起，结果把不是你盖的第4房间倒给一并拆了。

如何消除这一严重错误呢？

第一种方法是把指针正确地"倒"回原始位置：

p--;

delete [] p;

但当我们的指针指向变化很多次时，在释放前要保证一步不错地一一退回，会比较困难。所以另一方法是在最初时“备份”一份。在释放时，直接释放该指针即可。

int* p = new int[3];

int* pbak = *p;    //备份

//移动 p

……

//释放：

delete [] pbak;

由于pbak正是指向p最初分配后的地址，我们删除pbak,就是删除p最初的指向。此时我们不能再删除一次p。这也就引出new / delete 及 new[] / delete[] 在本章的最后一个问题。

20.4.2 已释放的空间，不可重复释放

第一种情况，错了最直接：

int* p = new int(71);

cout << *p << endl;

delete p; //OK!

delete p; //ERROR! 重复删除p

当然，如果同一指针在delete之后，又通过new 或 new[] 分配了一次内存，则需要再删除一次:

int* p = new int(71);

cout << *p << endl;

delete p; //OK!

...

p = new int(81);

delete p; //OK!

...

p = new int[10];

for (int i=0; i<10; i++)

*p = i;

...

delete [] p; //OK!

上面代码中，共计三次对p进行delete 或 delete[]，但不属于重复删除。因为每次delete都对应一次新的new。

我们下面所说的例子，均指一次delete之后，没有再次new，而重复进行delete。

第二种情况，重复删除同一指向的多个指针

int* p1 = new int(71);

int* p2 = p1;   //p2和p1 现在指向同一内存地址

cout << *p1 << endl;

cout << *p2 << endl;

delete p1;  //OK

delete p2;  //ERROR! p2所指的内存，已通过delete p1而被释放，不可再delete一次。

同样的问题，如果你先删除了p2，则同样不可再删除p1。

...

delete p2; //OK

delete p1; //ERROR

第三种情况，删除指向某一普通变量的指针

int a = 100;

int* p = &a;

delete p;  //ERROR

p 不是通过new 得到新的内存空间，而是直接指向固定变量：a。所以删除p等同要强行剥夺a的固有空间,会导致出错。

20.5 C 方式的内存管理

new/delete只在C++里得到支持。在C里，内存管理是通过专门的函数来实现。另外，为了兼容各种编程语言，操作系统提供的接口通常是 C 语言写成的函数声明 （Windows 本身也由C和汇编语言写成）。这样，我们就不得不同时学习C的内存管理函数。

20.5.1 分配内存 malloc 函数

需要包含头文件：

#include <alloc.h>

或

#include <stdlib.h>

函数声明(函数原型)：

void *malloc(int size);

说明：malloc 向系统申请分配指定size个字节的内存空间。返回类型是 void* 类型。void* 表示未确定类型的指针。C,C++规定，void* 类型可以强制转换为任何其它类型的指针。

从函数声明上可以看出。malloc 和 new 至少有两个不同: new 返回指定类型的指针，并且可以自动计算所需要大小。比如：

int *p;

p = new int; //返回类型为int* 类型(整数型指针)，分配大小为 sizeof(int);

或：

int* parr;

parr = new int [100];  //返回类型为 int* 类型(整数型指针)，分配大小为 sizeof(int) * 100;

而 malloc 则必须由我们计算要字节数，并且在返回后强行转换为实际类型的指针。

int* p;

p = (int *)  malloc (sizeof(int));

第一、malloc 函数返回的是 void * 类型，如果你写成：p = malloc (sizeof(int)); 则程序无法通过编译，报错：“不能将 void* 赋值给 int * 类型变量”。所以必须通过 (int *) 来将强制转换。

第二、函数的实参为 sizeof(int) ，用于指明一个整型数据需要的大小。如果你写成：

int* p = (int *) malloc (1);

代码也能通过编译，但事实上只分配了1个字节大小的内存空间，当你往里头存入一个整数，就会有3个字节无家可归，而直接“住进邻居家”！造成的结果是后面的内存中原有数据内容全部被清空。

malloc 也可以达到 new [] 的效果，申请出一段连续的内存，方法无非是指定你所需要内存大小。

比如想分配100个int类型的空间：

int* p = (int *) malloc ( sizeof(int) * 100 ); //分配可以放得下100个整数的内存空间。

另外有一点不能直接看出的区别是，malloc 只管分配内存，并不能对所得的内存进行初始化，所以得到的一片新内存中，其值将是随机的。

除了分配及最后释放的方法不一样以外，通过malloc或new得到指针，在其它操作上保持一致。

20.5.2 释放内存 free 函数

需要包含头文件(和 malloc 一样)：

#include <alloc.h>

或

#include <stdlib.h>

函数声明：

void free(void *block);

即： void free(指针变量)；

之所以把形参中的指针声明为 void* ，是因为free必须可以释放任意类型的指针，而任意类型的指针都可以转换为void *。

举例：

int* p = (int *) malloc(4);

*p = 100;

free(p); //释放 p 所指的内存空间

或者：

int* p = (int *) malloc ( sizeof(int) * 100 ); //分配可以放得下100个整数的内存空间。

……

free(p);

free 不管你的指针指向多大的空间,均可以正确地进行释放，这一点释放比 delete/delete [] 要方便。不过，必须注意，如果你在分配指针时，用的是new或new[]，那么抱歉，当你在释放内存时，你并不能图方便而使用free来释放。反过来，你用malloc 分配的内存，也不能用delete/delete[] 来释放。一句话，new/delete、new[]/delete[]、malloc/free 三对均需配套使用，不可混用！

int* p = new int[100];

... ...

free(p);  //ERROR! p 是由new 所得。

这也是我们必须学习 malloc 与 free 的重要理由之一，有时候，我们调用操作系统的函数（Windows API）时，会遇到由我们的程序来分配内存，API函数来释放内存；或API函数来分配内存，而我们的程序来负责释放，这时，必须用malloc或free来进行相应的工作。

当然，保证所说的内存分配与释放方式不匹配的错误发生，Windows API函数也提供了一套专门的内存管理函数给程序员,为了不在这一章里放太多相混的内容，我们在Windows编程的课程再讲相关内容。

最后还有一个函数，也是我们要学习C方式的内存管理函数的原因。

20.5.3 重调空间的大小： realloc 函数

需要包含头文件(和 malloc 一样)：

#include <alloc.h>

或

#include <stdlib.h>

函数声明：

void *realloc(void *block, int size);

block 是指向要扩张或缩小的内存空间的指针。size 指定新的大小。

realloc 可以对给定的指针所指的空间进行扩大或者缩小。size 是新的目标大小。比如，原来空间大小是40个字节，现在可以将size 指定为60，这样就扩张了20个字节；或者，将size 指定为20，则等于将空间缩小了20个字节。

无论是扩张或是缩小，原有内存的中内容将保持不变。当然，对于缩小，则被缩小的那一部分的内容会丢失。

举例：

//先用 malloc 分配一指针

int* p = (int *) malloc (sizeof(int) * 10);  //可以存放10个整数

……

//现在，由于些某原因，我们需要向p所指的空间中存放15个整数

//原来的空间不够了：

p = (int *) realloc (p, sizeof(int) *15); //空间扩张了 (15 - 10) * sizeof(int) = 20 个字节

……

//接下来，我们决定将p所指内存空间紧缩为5个整数的大小：

p = (int *) realloc (p, sizeof(int) * 5); //缩小了 (15 - 5) * sizeof(int) = 40 个字节

……

free (p);

这么看起来，realloc 有点像是施工队对一个已建的房屋进行改修：可以将房间后面再扩建几间，也可以拆掉几间。不管是扩还是拆，屋里原来的东西并不改变。

不过，这里要特别提醒一点：这个施工队有时会做这种事：1、在一块新的空地上新建一座指定大小的房屋；2、接着，将原来屋子里的东西原样照搬到新屋；3、拆掉原来的屋子。

这是什么指意呢？

realloc 并不保证调整后的内存空间和原来的内存空间保持同一内存地址。相反，realloc 返回的指针很可能指向一个新的地址。

所以，在代码中，我们必须将realloc返回的值，重新赋值给 p :

p = (int *) realloc (p, sizeof(int) *15);

甚至，你可以传一个空指针（0）给 realloc ，则此时realloc 作用完全相当于malloc。

int* p = (int *) realloc (0,sizeof(int) * 10);  //分配一个全新的内存空间，

这一行，作用完全等同于：

int* p = (int *) malloc(sizeof(int) * 10);

20.5.4 malloc、realloc、free的例子

打开CB6，新建一空白控制台工程。

第一步：在 Unit1.cpp 中的最前面，加入引用 alloc.h 等头文件的代码：

……

#pragma hdrstop

#include <alloc.h> //三个函数的声明都这个头文件里

#include <iostream.h>

……

第二步：将以下代码加入主函数 main 中间：

int* p = (int *) malloc (sizeof(int) * 10);

cout << "realloc 之前p指向的内存地址: " << p << endl;

for (int i=0; i<10; i++)

{

p[i] = i + 1;

}

cout << "realloc 之前p指向的内存中的内容：" << endl;

for (int i=0; i<10; i++)

{

cout << p[i] << ",";

}

cout << endl;

p = (int *) realloc (p, sizeof(int) * 15);

cout << "realloc 之后p指向的内存地址: " << p << endl;

cout << "realloc 之后p指向的内存中的内容：" << endl;

for (int i=0; i<15; i++)

{

cout << p[i] << ",";

}

cout << endl;

free (p);

system("PAUSE");

运行结果：

(malloc, realloc, free 上机题)

从图中我们看到 realloc 前后的p指向的内存地址同样是 9647936 。但记住，这并不是结论，真正的结论我们已经说过“realloc 并不保证返回和原来一样的地址。”所谓的“并不保证”的意思是：“我尽力去做了，但仍然有可能做不到。”。

无论调用几次 realloc,最后我们只需一次 free。