C＋＋ 之第九章：内存模型和命名空间

《C＋＋ Primer Plus》第九章同步思维导图，介绍C＋＋有关内存与命名空间的知识，属于C＋＋的特性。内容详细充实，值得一看。

第9章 内存模型和命名空间

• 9.1 单独编译
  • 三大部分
    • · 头文件
      • 包含结构声明和使用这些结构的函数原型
    • · 源代码文件
      • 包含于结构有关的函数的代码
    • · 源代码文件
      • 包含调用与结构相关的函数的代码
  • 头文件通常包含的内容
    • 不要将函数定义或变 量声明放到头文件中。
    • · 函数原型
    • · 使用#define或const定义的符号常量
    • · 结构声明
    • · 类声明
    • · 模板声明
    • · 内联函数
  • 头文件管理
    • C++规定，在同一个文件中只能将同一个头文件包含一次。为了避免重复包含，我们使用以下的方法： #ifndef COORDIN_H_ #define COORDIN_H_ ... #endif 编译器首次遇到该文件时，名称COORDIN_H_没有被定义。在这种情况下编译器将查看#ifndef和#endif之间的内容，读取并定义COODIN_H_的一行。如果编译器在同一个文件中遇到其他包含coordin.h的代码，编译器将知道COORDIN_H_已经被定义了，从而调到#endif后面的一行上。注意，这种方法不能防止编译器将文件包含两次，而只是让它忽略除第一次包含之外的所有内容。
• 9.2 存储持续性、作用域和链接性
  • 概述
    • 存储持续性复习
      • · 自动存储持续性：在函数定义中声明的变量（包括函数参数）的存储持续性为自动的。它们在程序开始执行其所属的函数或代码块时被创建，在执行完函数或代码块时，它们使用的内存被释放。C++有两种存储持续性为自动的变量 · 静态存储持续性：在函数外面定义的常量和使用关键字static定义的变量的存储持续性都为静态。它们在程序整个运行过程中都存在。C++有3种存储持续性为静态的变量 · 线程存储持续性（C++11）：当前，多核处理器很常见，这CPU可同时处理多个执行任务。这让程序能够将计算放在可并行处理的不同线程中。如果变量是使用关键字thread_local声明的，则其生命周期与所属的线程一样长。 · 动态存储持续性：用new运算符分配的内存将一直存在，直到使用delete运算符将其释放或程序结束为止。这种内存的存储持续性为动态，有时被称为自由存储（free store）或堆（heap）
  • 9.2.1 作用域和链接
    • 作用域（scope）：描述了名称在文件（翻译单元）的多大范围内可见 链接性（linkage）：描述了名称如何在不同单元间共享。自动变量的名称没有链接性，因为它们不可共享
  • 9.2.2 自动存储持续性
    • 默认情况下，在函数中声明的函数参数和变量的存储持续性为自动，作用域为局部，没有链接性。作用域起点为其声明位置，在程序开始执行这些变量所属的代码块时，为其分配内存；当函数结束时，变量都自动消失 如果在代码块中定义了变量，则该变量的存在时间和作用域将被限制在该代码块内。如： int main() { int a = 5; { int b = 0; } return 0; } a、b在代码块内部都是可见的，都是可以使用的。但是在代码块外部，a是可见的，而b不可见，因为b在外部不存在。 如果代码块中也定义了一个int变量a。那么这种情况下在程序执行内部代码块时，将a解释为局部代码块变量。我们说，新的定义隐藏了以前的定义，新定义可见，旧定义暂时不可见。在程序离开该代码块时，原来的定义又重新可见
    • 1. 自动变量的初始化
    • 2. 自动变量和栈
      • 程序管理自动变量的常用方法是留出一段内存，并将其视为栈，以管理变量的增减。之所以被称之为栈，是由于新数据象征性地放在原有数据的上面（也就是说，在相邻的内存单元中，而不是在同一个内存单元中）。当程序使用完后，将其从栈中删除
    • 3. 寄存器变量
      • 关键字register（只能用于自动变量） 它建议编译器使用CPU寄存器来存储自动变量，旨在提高访问变量的速度： register int count_fast; // request for a register variable 这种提示表明变量用的很多，编译器可以对其做特殊处理
  • 9.2.3 静态持续变量
    • · 创建链接性为外部的静态持续变量：在代码块的外面声明 · 创建链接性为内部的静态持续变量：在代码块的外面声明，并使用static限定符 · 创建没有链接性的静态持续变量：在代码块内部声明，并使用static限定符 如果没有显式地初始化静态变量，编译器将把它设置为0。在默认情况下，静态数组和结构将每个元素成员的所有位都设置为0
    • 静态变量的初始化
      • 零初始化和常量表达式初始化统称为静态初始化，这意味着在编译器处理文件（翻译单元）时初始化变量。动态初始化意味着将变量在编译后初始化。
      • 首先，所有静态变量都被零初始化，而不管程序员是否显式地初始化了它。接下来，如果使用常量表达式初始化了变量，且编译器仅根据文件内容（包括头文件）就可计算表达式，编译器将执行常量表达式初始化。必要时，编译器将执行简单计算。如果没有足够的信息，变量将动态初始化： #include<cmath> int x; int y = 5; long z = 13 * 13; const double ppi = 4.0 * atan(1.0); 首先，x、y、z和pi都被零初始化，然后编译器计算常量表达式，并将y和z分别初始化为5和169。但要初始化pi，必须调用函数atan()，这需要等待该函数被链接且程序执行时。
  • 9.2.4 静态持续性、外部链接性
    • 链接性为外部的变量通常称为外部变量，它们的储存持续性为静态，作用域为整个文件。也称全局变量。
    • 1. 单定义规则
      • · 在每使用外部变量的文件中，都必须声明它 · 变量只能有一次定义。
      • C++提供两种变量声明： （1）定义声明（简称为定义）：给变量分配储存空间 （2）引用声明（简称为声明）：不给变量分配空间，因为它引用已有的变量 引用声明使用关键字extern，且不进行初始化；否则，声明为定义，导致分配储存空间。如果要在多个文件中使用外部变量，只需在一个文件中包含该变量的定义（单定义规则）但在使用该变量的其他所有文件中，都必须使用关键字extern来声明它： // file01.cpp extern int cats = 20; // definition because of initialization int dogs = 22; // also a definition int fleas; // also a definition // file02.cpp extern int cats; extern int dogs;
    • 2. 程序说明
      • C++提供了作用域解析运算符（::）。放在变量名前面时，该运算符表示使用变量的全局版本。
  • 9.2.5 静态持续性、内部链接性
    • 将static限定符用于作用域为整个文件的变量时，该变量的链接性将变为内部的，即只能在所属文件中使用。
  • 9.2.6 静态存储持续性、无链接性
    • 将static限定符用于在代码块中定义的变量，该变量便无链接性，只能在该代码块中使用，但在该代码块不处于活动状态时依然存在，值将保持不变。另外，如果初始化了静态局部变量，则程序只将在启动时进行一次初始化，以后再调用函数时，将不会像自动变量那样再次被初始化。
    • while (cin) { cin.get(next); while (next != '\n') cin.get(next); ... } 该代码实现了整行数据处理，并且告诉我们，试图使用cin.get(char*, int)读取空行将导致cin为false
  • 9.2.7 说明符和限定符
    • 1. 存储说明符： · auto：自动类型判断 · register：指示寄存器存储 · static：表示内部连接性或静态存储持续性 · extern：引用声明 · thread_local：指出变量的持续性与其所属线程的持续性相同 · mutable：即使结构（类）为const，其某个成员也可以被修改： struct data { char name[30]; mutable int accesses; ... } const data veep = { "Claybourne Clodde", 0, ... }; strcpy(veep.name, "Joye Joux") // not allowed veep.accesses++; // allowed
    • 2. cv-限定符： · const：设置变量为常量，不能被修改 · volatile：声明告诉编译器，即使程序代码没有对内存单元进行修改，其值也可能发生变化（如其他程序的影响等）。 例如，假设编译器发现，程序在几条语句中两次使用了某个变量的值，则编译器可能不是让程序查找这个值两次，而是将其缓存到寄存器中。这种优化假设变量的值在两次使用之间不会变化。如果不将变量声明为volatile，则编译器将进行这种优化。
    • 3. 再谈const （1）在C++（不是C）语言中，const限定符对默认储存类型稍有影响。在默认情况下全局变量的链接性为外部的，但const全局变量的链接性为内部的。也就是说，在C++看来，全局定义const变量就像使用了static一样。也因如此，每个const定义都是其所属文件私有的，这就是能够将const常量放在头文件中的原因。 （2）如果想要将某个常量的链接性设为外部，让其他文件也可以共享它，则可以使用extern关键字来覆盖默认的内部连接性： extern const int states = 50; // definition with external linkage 在这种情况下，必须在所有使用该常量的文件中使用extern关键字来声明它，而只在其中一个文件里对其初始化。
  • 9.2.8 函数和链接性
    • 所有函数的存储持续性都自动为静态的，即整个程序执行期间都一直存在。在默认情况下，函数的链接性为外部的，即可以再文件之间共享。实际上，可以在函数原型中使用关键字extern来指出函数是在另一个文件中定义的，不过这也是可选的（要让程序在另一个文件中查找函数，该文件必须作为程序的组成部分被编译，后者是由链接程序搜索的库文件）。还可以使用关键字static将函数的链接性设置为内部的，使之只能在一个文件中使用。但必须同时在原型和函数定义中都是用static。
  • 9.2.9 语言链接性
    • C语言编译器可能将spiff这样的函数名翻译为_spiff。这种方法被称为C语言链接性。 C++编译器执行名称矫正或名称修饰，为重载函数生成不同的符号名称。如，可能将spiff(int)转换为_spiff_i，而将spiff(double, double)转换为_spiff_d_d。这种方法被称为C++语言链接。
  • 9.2.10 储存方案和动态分配
    • 通常，编译器使用三块独立的内存：一块用于静态变量（可能再细分）；一块用于自动变量；另一块用于动态存储。
    • 1. 使用new运算符初始化
      • （1）初始化内置的标量类型： int* pi = new int (6); double* pd = new double (99.99); （2）要初始化常规数组或结构，需要使用大括号的列表初始化（仅C++11支持）： struct where { double x; double y; double z; }; where* one = new where {2.5, 5.3, 7.2}; （3）也可用列表进行单值变量的初始化： int* pin = new int {}; double* pdo = new double {99.99};
    • 2. new失败时
      • 在最初的10年中，C++让new返回空指针，但现在是引发异常std::bad_alloc。
    • 3. new：运算符、函数和替换函数
      • 运算符new和new[]分别调用如下函数： void* operator new(std::size_t); // used by new void* operator new[](std::size_t); // used by new[] 同样，也有由delete和delete[]调用的释放函数： void operator delete(void*); void operator delete[](void*); 它们都位于全局名称空间中。因此对于下面的基本语句： int* pi = new int; 被转换为下列语句： int* pi = new(sizeof(int)); 而下面的语句： int* pa = new int (40); 被转换为下面这样： int* pa = new(40 * sizeof(int)); 同样，下面的语句： delete pi; 被转换为下列语句调用： delete (pi);
    • 4. 定位new运算符
      • new运算符还有一种变体，被称为定位new运算符，它能够指定要使用的位置。程序员可能使用这种特性来设置其内存管理规程、处理需要通过特定地址进行访问的硬件或在特定位置创建对象。
    • 5. 程序说明
      • 部分程序： char buffer[512]; int main() { double* pd1, *pd2; pd1 = new double[5]; pd2 = new (buffer) double[5]; ... }
      • · 定位new运算符确实将数组p2放在了数组buffer中 · 定位new运算符使用传递给它的地址，它不跟踪哪些内存单元已被使用，也不查找未使用的内存块。 · buffer指定的内存是静态内存，而delete只适用于这样的指针：指向常规new运算符分配的堆内存。也就是说，数组buffer位于delete的管辖区之外，因此下面的语句将发生错误： delete[] pd2; // won't work
    • 6. 定位new的其他形式
      • 标准定位new调用一个接收两个参数的new()函数： int* p1 = new int; // invokes new(sizeof(int)) int* p2 = new (buffer) int; // invokes new(sizeof(int), buffer) int* p3 = new (buffer) int[40]; // invokes new(40 * sizeof(int), buffer)
• 9.3 名称空间
  • 9.3.1 传统的C++名称空间
    • · 声明区域：可以在其中声明的区域 · 潜在作用域：从声明点开始，到声明区域结尾
  • 9.3.2 新的名称空间特性
    • 一个名称空间的名称不会与另外一个名称空间的相同名称发生冲突，同时，允许程序的其他部分使用该名称空间中声明的东西。例如，使用关键字namespace创建名称空间Jack： namespace Jack { double pail; void fetch(); int pal; }
    • 1. using声明和using编译指令
      • · using声明：由被限定的名称和它前面的关键字using组成。 using Jack::pail; 完成声明后，便可以用pail代替Jack::pail。
      • · using编译指令：使名称空间的所有名称可用。 using namespace std;
    • 2. using编译指令和using声明之比较
      • 一般来说，using声明比使用using编译指令更安全
    • 3.名称空间的其它特性
      • （1）嵌套使用
      • （2）创建别名
        • 假设有以下的命名空间： namespace my_very_favorite_things { .. }; 则可以使用下面的语句让mvft称为my_very_favorite_things的别名： namespace mvft = my_very_favorite_things; 可以使用这种技术来化简对嵌套名称空间的使用： namespace MEF = myth::elements::fire; using MEF::flame;
    • 4. 未命名的名称空间
      • 不能在未命名的名称空间所属文件之外的其他文件中，使用该名称空间中的名称。这提供了链接性为内部的静态变量的替代品： static int counts; // static storage, internal linkage int other(); int main() { ... } 用未命名的名称空间的方法如下，效果一样： namespace { int counts; // static storage, internal linkage } int other(); int main() { ... }
  • 9.3.3 名称空间示例
  • 9.3.4 名称空间及其用途
    • 指导原则
      • · 使用在已命名的名称空间中声明的变量，而不是使用外部全局变量
      • · 使用在已命名的名称空间中声明的变量，而不是使用静态全局变量
      • · 如果开发了一个函数库或类库，将其放在一个名称空间中。C++提倡将标准库函数放在名称空间std中
      • · 仅将编译指令using作为一种将旧代码转换为使用名称空间的权宜之计
      • · 不要在头文件中使用using编译指令，这样做掩盖了要让哪些名称可用
      • · 如果非要在头文件中使用编译指令using，应将其放在所有预处理器编译指令#include之后
      • · 导入名称时，首选使用作用域解析运算符或using声明的方法
      • · 对于using声明，首选将其作用域设置为局部而不是全局