12章 類和動態內存分配
1. 動態分配內存的原因
爲了避免大量的內存被浪費，一般採用在程序運行時，而不是編譯時，確定諸如使用多少內存的問題。
C++使用new和delete運算符來動態控制內存。
2. 在構造函數中使用new的注意事項
2.1 在構造函數中使用new，在析構函數中必須使用delete。
1.爲何需要分配內存：
如果不分配內存，直接用str=s，只會保存參數字符串的地址，並沒有創建備份。
2.使用new分配內存的位置：
使用new分配的內存，位置在堆中；對象中僅保留了該位置的地址信息。
3.使用析構函數的原因：
當對象被刪除時，對象本身所佔用的內存被釋放，但是對象成員指針所指向的內存並不會被自動釋放。因此，需要在析構函數中使用delete語句，從而在對象過期析構函數被調用時，釋放函數中new分配的內存。
4.new和delete的使用方法：
/*聲明*/
private:
char * str; //字符串指針
int len; //字符串長度
static int num_strings; //對象的個數
/*構造函數使用new*/
StringBad::StringBad(const char* s)
{
len = strlen(s);
str = new char[len+1]; //分配內存
strcpy(str, s);
num_strings++; //設置對象的個數
}
/*析構函數使用delete*/
StringBad::~StringBad()
{
--num_strings; //設置對象的個數
delete [] str; //釋放內存
}
2.2 new與delete必須兼容。new對應delete，new []對應delete []。
如果析構函數使用delete []，那麼默認構造函數即使只對字符串賦空值，也要使用new []：
String::String()
{
len = 0;
str = new char[1];
str[0] = '\0'; //等同於str = nullptr;
}
2.3 多個構造函數必須使用相同的方式使用new。
2.4 應定義一個複製構造函數，通過深度複製將一個對象初始化爲另一個對象。
1.複製構造函數的形式：StringBad(const StringBad &);
如果沒有定義的話，C++會自動提供複製構造函數。
2.複製構造函數的調用時機：
一般來說是用現有的對象初始化一個新的對象時：
//將新對象顯式地初始化爲現有的對象
StringBad string1(string2); //1
StringBad string1 = string2; //2
StringBad string1 = StringBad(string2); //3
StringBad *pStringBad = new StringBad(string2); //4
//函數按值傳遞對象，或函數返回對象時
void callme2(StringBad sb) {} //5
{return sb;}
第2或3種，可能會用複製構造函數直接創建string1；也可能先用複製構造函數生成一個臨時對象，再將臨時對象的內容複製到string1中。
第4種，是使用複製構造函數先創建一個匿名對象，再將新對象的地址賦值給string1。
第5種，sb通過複製構造函數初始化。採用複製構造函數初始化會花費時間和空間，因此一般採用引用傳遞對象。
3.默認複製構造函數的功能：
默認複製構造函數會逐個複製非靜態成員（也成爲淺複製）的值。
如果成員本身是類對象，那麼就會調用成員類的複製構造函數來複制該成員。
4.淺複製：
上圖展示了在淺複製中，數據成員被逐個複製。
淺複製可能帶來的後果是：當釋放ditto對象時，析構函數被調用，導致str指向的字符串Home Sweet Home佔用的內存被釋放。在之後釋放motto對象時，析構函數再次被調用，再次釋放str指向的已經被釋放過的內存，可能會導致不確定的、有害的後果。
例如，使用淺複製時，函數參數按值傳遞就會出現問題：
將headline2直接作爲函數參數來傳遞，會將headline2逐成員複製到sb中，包括headline2中成員指針指向的數據地址。
當函數調用結束，局部變量sb過期，其析構函數被調用，就會釋放掉sb的成員指針所指向的數據。這數據也同樣是headline2的成員指針指向的數據。
因此在headline2過期時，調用析構函數，就會再次釋放成員指針指向的數據，導致不確定的、有害的後果。
void callme2(StringBad sb)
{
cout << sb << endl;
}
callme2(headline2); //使得析構函數被調用
5.深複製：
由於默認複製構造函數是在進行淺複製，在對象的析構函數被調用時會出現問題。因此，需要定義顯式的複製構造函數以進行深度複製。
深度複製是指，應該複製數據形成副本，並將副本的地址賦給指針成員。這樣使得每個對象都有自己的數據，而不是引用另一個對象的數據。
可以看出，深度複製的必要性在於：
一些類成員使用 new初始化的、指向數據的指針，而不是數據本身。
6.新的複製構造函數：
StringBad::StringBad(const StringBad & st)
{
len = st.len;
str = new char [len+1];
strcpy(str, st.str);
num_strings++;
}
2.5 應定義一個賦值運算符，通過深度複製將一個對象複製給另一個對象。
1.C++會提供隱式的賦值運算實現。
2.賦值運算符的使用時機：
將已有的對象賦值給另一個對象時：
StringBad headline1("This is headline1");
StringBad headline2;
headline2 = headline1; //使用賦值運算符
StringBad headline3 = headline1; //使用複製構造函數或賦值運算符
在初始化對象時，不一定會使用賦值運算符。
3.賦值運算符的隱式實現：
賦值運算符的隱式實現也是進行淺複製，只逐個複製非靜態成員的值。因此，也會導致對同一片內存多次釋放的問題。
如果成員本身是類對象，將調用該成員類的賦值運算符來爲該成員賦值。
4.賦值運算符的重載：
深度複製版本的賦值運算符所需的工作：
1.避免自我賦值
2.釋放以前指向的內存
3.複製數據，而不是複製引用
4.返回調用對象的引用， 使得能夠實現連續賦值
StringBad & StringBad::operator=(const StringBad & st)
{
if(this == &st)
return *this;
delete [] str;
len = st.len;
str = new char[len+1];
strcpy(str, st.str);
return *this;
}
3.靜態類成員
3.1 靜態類成員的特點：
靜態類成員前有static關鍵字。
無論創建了多少對象，程序只創建一個靜態類變量副本。
所有的類對象共享同一個靜態成員。
3.2 靜態類數據成員的初始化：
靜態成員在類聲明中聲明，在包含類方法的文件中初始化。
如果靜態數據成員是 const整數類型或枚舉型，可以在類聲明中初始化。
初始化語句指明瞭類型、作用域解析運算符，但沒有使用關鍵字static。
//類聲明文件中
private:
static int num_strings;
//類方法定義文件中
int StringBad::num_strings = 0;
3.3 靜態類函數成員：
1.聲明與定義：
函數聲明必須加上static關鍵字，如果函數定義獨立於函數聲明，則函數定義不能包含關鍵字static。
靜態成員函數只能使用靜態數據成員，因爲它不與特定的對象相關聯。
2.調用：
靜態成員函數通過類名和作用域解析運算符來調用（如果公有），不能通過對象調用，不能使用this指針。
//函數的聲明與定義
public:
static int HowMany() {return num_strings;}
//函數的調用
int count = String::HowMany();
4.其它內容
4.1 使用 new創建對象的過程
4.2 析構函數的調用時機
如果對象是動態變量，執行完定義該對象的代碼塊時，將調用對象的析構函數。
如果對象是靜態變量，則在程序結束時，調用對象的析構函數。
如果對象是用new創建的，僅當顯式使用delete刪除對象時，析構函數纔會被調用。
4.3 函數的返回對象
如果要返回局部對象，那麼必須返回對象。這種情況下，將通過複製構造函數生成返回的對象。
如果要返回一個沒有公有複製構造函數的類（如ostream）的對象，那麼必須返回引用。
如果既可以返回對象，又可以返回對象的引用，那麼應該首選引用，因爲引用效率更高。
4.4 特殊成員函數
如果沒有定義的話，C++會自動的提供下面的成員函數：
- 默認構造函數（如果沒有提供構造函數）；
大致形式StringBad::StringBad() {}
-
默認析構函數；
-
複製構造函數；
-
賦值運算符；
-
地址運算符。
隱式地址運算符返回調用對象的地址，一般與期望一致。
4.5 友元形式的比較函數
將比較函數作爲友元，便於其他類型與類類型的比較：
friend bool operator==(const String &st1, const String &st2);
對於if("love" == answer)這樣的情況， 可以先轉換成operator==("love", answer)，再通過只接受一個const char*類型參數的類構造函數進行轉換，得到operator==(String("love"), answer)。
如果不是友元函數，符號左側的操作數類型必須爲類類型，否則無法參與比較。
4.6 重載中括號運算符
將返回類型聲明爲char &，可以對特定元素進行賦值。
char & String::operator[](int i)
{
return str[i];
}
上述方法可以實現字符的索引和修改，但沒有使用const關鍵字，無法保證不對調用對象進行修改。
因此對於常量字符串，如果想要通過中括號進行索引，還需要提供一個新的版本：
const char & String::operator[](int i) const
{
return str[i];
}
4.7 指向對象的指針
1.指針指向已有的對象
Shortest和first不創建新的對象，只是指向已有的對象，因此不需要new來分配內存，也不需要delete來釋放內存。
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];
}
2.指針指向新創建的匿名對象
favorite使用new爲整個對象分配內存，調用複製構造函數創建了新對象，需要使用delete來釋放內存。
String *favorite = new String(sayings[choice]);
delete favorite;
4.8 將鍵盤輸入行讀入String對象的方法
istream & operator(istream & is, String & st)
{
char temp[String:CINLIM];
is.get(temp, String:CINLIM);
//除去輸入失敗的情況
if(is)
st = temp; //調用重載的賦值運算符
//省略多餘字符
while(is && is.get()!='\n')
continue;
return is;
}
4.9 使用定位new運算符
char * buffer = new char[BUFF];
JustTesting *pc1, *pc2;
//指定內存位置
pc1 = new (buffer) JustTesting;
//確保兩個內存單元不重疊
pc2 = new (buffer + sizeof(JustTesting)) JustTesting("Better Idea", 6);
//顯式地爲使用定位new運算符創建的對象調用析構函數
//需要用正確的刪除順序——與創建順序相反的順序
pc2->~JustTesting();
pc1->~JustTesting();
//釋放buffer所在區域
delete [] buffer;