C++防灾——为指针成员分配专门的存储空间

在C++中，当类中有指针类型的数据成员时，必须注意在构造函数中，分配专门的存储单元，并将地址赋值给指针型数据成员。

　　这样做的目的在于，要保证指针指向的存储单元能够由类本身控制。

　　如果这种情形处理不好，将可能会造成灾难性的后果，尽管多数情况程序看上去执行还算正常（这种错误是真正可怕的错误）。

　　为了帮助读者理解，本文将从实例出发，展示不用这种处理的灾难性后果，同时给出正确处理的方法演示。

　　一、一个编译正确，运行也正确的坏程序

//例程1
#include <iostream>
using namespace std;
class IntArray
{
public:
	IntArray(){arr_point=NULL; arr_len=0;}
	IntArray(int a[], int n);
	void showArray();
private:
	int *arr_point;  //数组的首地址
	int arr_len;
};

IntArray::IntArray(int a[], int n)
{
	arr_point=a;  //这是灾难的源头
	arr_len=n;
}

void IntArray::showArray()
{
	for (int i=0; i<arr_len; ++i)
		cout<<*(arr_point+i)<<' '; //或cout<<arr_point[i]<<' '
	cout<<endl;
	return;
}

int main()
{   
	int x[]={1,2,3,4,5};
	IntArray arr(x,5);
	arr.showArray();  // 输出1 2 3 4 5
	system("pause");
        return 0;
}

　这个程序在执行main()函数时，第31行利用定义好的 x 数组，新建了arr 对象。第33行arr.showArray();输出的结果表明，对象的创建是正确的。

　　然而，这的确是个正确的坏程序。大多数情况不会出问题。但是，有时，无法预料到是何时，运行结果可能会不正确；甚至，有其他意外。

　　这不是无中生有，危言耸听。

　　让我们逐渐接近内幕。

　　二、让面向对象的机制失效的程序

//例程2
#include <iostream>
using namespace std;
class IntArray
{
public:
	IntArray(){arr_point=NULL; arr_len=0;}
	IntArray(int a[], int n);
	void showArray() const;
private:
	int *arr_point;  //数组的首地址
	int arr_len;
};




IntArray::IntArray(int a[], int n)
{
	arr_point=a; 
	arr_len=n;
}




void IntArray::showArray() const
{
	for (int i=0; i<arr_len; ++i)
		cout<<*(arr_point+i)<<' '; //或cout<<arr_point[i]<<' '
	cout<<endl;
	return;
}




int main()
{   
	int x[]={1,2,3,4,5};
	const IntArray arr(x,5);
	arr.showArray();  //输出1 2 3 4 5
	x[3]=999;
	arr.showArray();  //输出的是1 2 3 999 5 ！！！！！！
	system("pause");
        return 0;
}

【运行结果】

1 2 3 4 5
1 2 3 999 5
请按任意键继续. . .

【一点说明】
　　其实还是上面的程序，只在main()中多加了两个语句。结果，在没有对 arr 对象做任何操作的前提下，arr 的值却变了！对象的封装性何在？！对象值的改变没有通过类的内部操作完成，也不是通过调用公共接口完成。而是，在arr 没有参与的情况下，变化已经发生。明明你买了一只烤鸭放在自家的冰箱里，取出来的却是一坨NF！

　　更为严重的是，例程2中甚至将showArray成员声明为const成员函数（第9和24行），将arr对象声明为const对象（第35行）。常对象不允许修改的底线也被挑战了，且得逞了！

　　这还不是最严重的！

　　三、这个类会酿成灾难

//例程3

……//类的定义与例程2完全相同

int main()
{   
	int *x=new int[5];
	for (int i=0; i<5; ++i)
		x[i]=i+1;  //x是通过动态分配空间获得的，后面的释放从机制上是合法的
	const IntArray arr(x,5);
	arr.showArray();  //输出1 2 3 4 5
	delete [] x;      //释放x，x可以由操作系统分配作其他用途（很正常，main中不再用局部变量x，及早释放，可以挪作他用。如果x数组很大，效益可观）
	arr.showArray();  //这是灾难发生的部位：输出结果不可预料，可能导致生产线停车、火车驶上了不该行驶的车道、火箭失控……
	system("pause");
        return 0;
}

【运行结果】

1 2 3 4 5
1 2 3 999 5
-17891602 -17891602 -17891602 -17891602 -17891602
请按任意键继续. . .

【解释】
　　在注释中已经指出了灾难所在，会得出错误的结果，灾难甚至可能是程序停止执行，意外退出。也有可能输出还会“正确”，而“正确”的惟一解释是这段程序太短了，arr中的arr_point指向的空间恰好还没有被操作系统分配作其他用途。当例程3的第12行和第13行中间插入了其他代码，完成了一些操作，甚至转移过流程，谁也说不清到执行第13行时，原先x曾经占用的内存的作用。的确，arr中的arr_point指向的是一个谁都说不清楚正在作何用的空间！！这个例子所示的只是显式地、有意地让灾难发生。在实际的项目中，类似 delete [ ] x; 的操作可能不在这里发生，可能根本不是由于delete造成。乐观些想这个问题， 如果在灾难发生前我们觉察出了问题，要在几万行代码中找到问题的根源，也是一件相当不易的事情，需要会出巨大的成本。

　　而这一切，如果能遵循本文开头的嘱咐，原来是不会发生的。

　　四、深刻理解：错误是这样发生的

　　用例程1来说明问题。执行例程1时，发生的主要事情如图所示：

　　所以，在例程2中，main()函数可以修改 x[3] 的值；例程3中，x 数组已经被释放了，arr 对象仍然“一往无前”地将之用作数组。后一种情况是灾难性的，前 种情况也千万不要将之用作为技巧：看，我能够绕开C++的限制修改对象成员指向的值（有些hacker的感觉？）。在工程中，切忌将不同实体间的联系复杂化，这是一种复杂化的表现，多种机制瞎搅乎的结果，必定是质量低下、破绽百出、bug多多的程序。

　　五、正确的做法

//例程4
#include <iostream>
using namespace std;
class IntArray
{
public:
	IntArray(){arr_point=NULL; arr_len=0;}
	IntArray(int a[], int n);
	~IntArray();
	void showArray() const;

private:
	int *arr_point;  //数组的首地址
	int arr_len;
};

IntArray::IntArray(int a[], int n)
{
	arr_point=new int[n];  //arr_point指向了属于自己的新空间
	for (int i=0; i<n; ++i) 
		*(arr_point+i)=*(a+i);   //将数组a中元素逐个赋值
	arr_len=n;
}

IntArray::~IntArray() //由于在类中涉及动态分配存储空间，在析构函数中将对应空间释放
{
	if (!arr_point) // 等同于if (arr_point!=NULL) 
		delete [] arr_point; //释放在类的生命周期中分配的，arr_point指向的空间
}

void IntArray::showArray() const
{
	for (int i=0; i<arr_len; ++i)
		cout<<*(arr_point+i)<<' '; //或cout<<arr_point[i]<<' '
	cout<<endl;
	return;
}

int main()
{   
	int *x=new int[5];
	for (int i=0; i<5; ++i)
		x[i]=i+1;
	const IntArray arr(x,5);
	arr.showArray();   // 输出1 2 3 4 5
	x[3]=999;
	arr.showArray();   // 输出1 2 3 4 5, arr使用专属的存储空间！
	delete [] x;
	arr.showArray();   // 输出1 2 3 4 5, arr使用专属的存储空间！！
	system("pause");
    return 0;
}

【运行结果】

1 2 3 4 5
1 2 3 4 5
1 2 3 4 5
请按任意键继续. . .

【解释】
　　程序的关键是IntArray类的构造函数和析构函数。在构造函数中，为arr_point指向的空间专门分配存储单元并赋值，从而这块存储区域成为相应对象的专属操作对象，不通过面向对象的机制，不能访问这儿的空间。尽管在main()函数中涉及的 x 数组的值修改，甚至释放 x 所占的空间，但此时，x 和arr 对象已经完全没有任何关系，对arr_point 所指向的空间没有任何的影响。程序中的各实体之间的“耦合”达到最小，各自按照各自的机制运行。

　　下面的图示进一步说明了例程中内存空间的变化。

　六、补充一个例子：当指针指向字符时

#include <iostream>
#include <string.h>
#include <iomanip> 
using namespace std;

class CPerson 
{
protected:
	char *m_szName;
	char *m_szId;
	int m_nSex;//0:women,1:man
	int m_nAge;
public:
	CPerson(char *name,char *id,int sex,int age);
	void Show();
	~CPerson();
};

CPerson::CPerson(char *name,char *id,int sex,int age)
{
	m_szName=new char[strlen(name)+1];  //分配正好大小的空间，根据形参name指向的字符串
	strcpy(m_szName,name);     //字符串的复制
	m_szId=new char[strlen(id)+1];    //指针成员都这样处理  
	strcpy(m_szId,id);
	m_nSex=sex;
	m_nAge=age;
}

void CPerson::Show()
{
	cout<<setw(10)<<m_szName<<setw(25)<<m_szId;	//setw:设置输出数据的宽度,使用时应#include <iomanip.h> 
	if(m_nSex==0)
		cout<<setw(7)<<"women";
	else
		cout<<setw(7)<<"man";
	cout<<setw(5)<<m_nAge<<endl;
}

CPerson::~CPerson()
{
	delete [ ]m_szName;   //析构函数中要释放动态分配的空间
	delete [ ]m_szId;
}

int main()
{
	char name[10],id[19];
	int sex,age;
	cout<<"input name,id,sex(0:women,1:man),age:\n";
	cin>>name>>id>>sex>>age;
	CPerson person(name,id,sex,age);
	person.Show();
	system("pause");
	return 0;
}

【说明】

　　此例是博文《 第10周-任务2-CEmployee类继承CPerson类》程序中的一部分，该文以CPerson为基类作了派生。

　　在以前的博文中，《第9周-任务4-二维数组类》也涉及到了本文所讲的内容，请参考。

　七、总结

　　重申本文中心：在C++中，当类中有指针类型的数据成员时，必须注意在构造函数中，分配专门的存储单元，并将地址赋值给指针型数据成员。