C++ 記憶體管理之五（數組 vs 指標）

C++/C程式中，指標和數組在不少地方可以相互替換著用，讓人產生一種錯覺，以為兩者是等價的。但二者有著本質的區別：
數組：要麼在靜態儲存區被建立(如全域數組)，要麼在棧上被建立。數組名對應著（而不是指向）一塊記憶體，其地址與容量在生命期內保持不變，只有數組的內容可以改變。
指標：可以隨時指向任意類型的記憶體塊，它的特徵是“可變”，所以我們常用指標來操作動態記憶體。指標遠比數組靈活，但也更危險。
下面以字串為例比較指標與數組的特性:
（1）修改內容
　　執行個體1代碼中，字元數組a的容量是6個字元，其內容為hello。a的內容可以改變，如a[0]= ‘X’。指標p指向常量字串“world”（位於靜態儲存區，內容為world），常量字串的內容是不可以被修改的。從文法上看，編譯器並不覺得語句p[0]= ‘X’有什麼不妥，但是該語句企圖修改常量字串的內容而導致運行錯誤。

執行個體1 修改數組和指標內容

char a[] = “hello”;
a[0] = ‘X’;
cout << a << endl;
char *p = “world”; // 注意p指向常量字串
p[0] = ‘X’; // 編譯器不能發現該錯誤
cout << p << endl;

（2）內容複寫與比較
　　不能對數組名進行直接複製與比較。樣本2中，若想把數組a的內容複寫給數組b，不能用語句 b = a ，否則將產生編譯錯誤。應該用標準庫函數strcpy進行複製。同理，比較b和a的內容是否相同，不能用if(b==a) 來判斷，應該用標準庫函數strcmp進行比較。
　　指標應用中，語句p = a 並不能把a的內容複寫指標p，而是把a的地址賦給了p。要想複製a的內容，可以先用庫函數malloc為p申請一塊容量為strlen(a)+1個字元的記憶體，再用strcpy進行字串複製。同理，語句if(p==a) 比較的不是內容而是地址，應該用庫函數strcmp來比較。

執行個體2 數組和指標的內容複寫與比較

// 數組…
char a[] = "hello";
char b[10];
strcpy(b, a); // 不能用 b = a;
if(strcmp(b, a) == 0) // 不能用 if (b == a)
…
// 指標…
int len = strlen(a);
char *p = (char *)malloc(sizeof(char)*(len+1));
strcpy(p,a); // 不要用 p = a;
if(strcmp(p, a) == 0) // 不要用 if (p == a)
…

（3） 計算記憶體容量
　　用運算子sizeof可以計算出數組的容量（位元組數）。樣本3（a）中，sizeof(a)的值是12（注意別忘了’’）。指標p指向a，但是sizeof(p)的值卻是4。這是因為sizeof(p)得到的是一個指標變數的位元組數，相當於sizeof(char*)，而不是p所指的記憶體容量。C++/C語言沒有辦法知道指標所指的記憶體容量，除非在申請記憶體時記住它。注意當數組作為函數的參數進行傳遞時，該數組自動退化為同類型的指標。樣本7-3-3（b）中，不論數組a的容量是多少，sizeof(a)始終等於sizeof(char *)。

執行個體3(a) 計算數組和指標的記憶體容量

char a[] = "hello world";
char *p = a;
cout<< sizeof(a) << endl; // 12位元組
cout<< sizeof(p) << endl; // 4位元組

執行個體3(b) 數組退化為指標

void Func(char a[100])
{
　cout<< sizeof(a) << endl; // 4位元組而不是100位元組
}

（4）指標參數是如何傳遞記憶體的？
　　如果函數的參數是一個指標，不要指望用該指標去申請動態記憶體。樣本4(a)中，Test函數的語句GetMemory(str, 200)並沒有使str獲得期望的記憶體，str依舊是NULL，為什嗎？

執行個體4(a) 試圖用指標參數申請動態記憶體

void GetMemory(char *p, int num)
{
　p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
}
void Test(void)
{
　char *str = NULL;
　GetMemory(str, 100); // str 仍然為 NULL 
　strcpy(str, "hello"); // 運行錯誤
}

　　毛病出在函數GetMemory中。編譯器總是要為函數的每個參數製作臨時副本，指標參數p的副本是 _p，編譯器使 _p = p。如果函數體內的程式修改了_p的內容，就導致參數p的內容作相應的修改。這就是指標可以用作輸出參數的原因。在本例中，_p申請了新的記憶體，只是把_p所指的記憶體位址改變了，但是p絲毫未變。所以函數GetMemory並不能輸出任何東西。事實上，每執行一次GetMemory就會泄露一塊記憶體，因為沒有用free釋放記憶體。

　　如果非得要用指標參數去申請記憶體，那麼應該改用“指向指標的指標”，見樣本4(b)

執行個體4(b) 用指向指標的指標申請動態記憶體

void GetMemory2(char **p, int num)
{
　*p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
}
void Test2(void)
{
　char *str = NULL;
　GetMemory2(&str, 100); // 注意參數是 &str，而不是str
　strcpy(str, "hello"); 
　cout<< str << endl;
　free(str); 
}

　　由於“指向指標的指標”這個概念不容易理解，我們可以用函數傳回值來傳遞動態記憶體。這種方法更加簡單，見樣本4(c)

執行個體4(c)  用函數傳回值來傳遞動態記憶體

char *GetMemory3(int num)
{
　char *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);  //返回堆中的地址
　return p;
}
void Test3(void)
{
　char *str = NULL;
　str = GetMemory3(100); 
　strcpy(str, "hello");
　cout<< str << endl;
　free(str); 
}

　　用函數傳回值來傳遞動態記憶體這種方法雖然好用，但是常常有人把return語句用錯了。這裡強調不要用return語句返回指向“棧記憶體”的指標，因為該記憶體在函數結束時自動消亡，見樣本4(d)

執行個體4(d) return語句返回指向“棧記憶體”的指標

char *GetString(void)
{
　char p[] = "hello world";     //返回棧中的地址
　return p; // 編譯器將提出警告
}
void Test4(void)
{
　char *str = NULL;
　str = GetString(); // str 的內容是垃圾
　cout<< str << endl;
}

　　用調試器逐步跟蹤Test4，發現執行str = GetString語句後str不再是NULL指標，但是str的內容不是“hello world”而是垃圾。
如果把樣本4(d)改寫成樣本4(e)，會怎麼樣？

執行個體4(e) return語句返回常量字串

char *GetString2(void)
{
　char *p = "hello world";
　return p;
}
void Test5(void)
{
　char *str = NULL;
　str = GetString2();
　cout<< str << endl;
}

　　函數Test5運行雖然不會出錯，但是函數GetString2的設計概念卻是錯誤的。因為GetString2內的“hello world”是常量字串，位於靜態儲存區，它在程式生命期內恒定不變。無論什麼時候調用GetString2，它返回的始終是同一個“唯讀”的記憶體塊。