C++PrimerPlus学习笔记——第9章内存模型和名称空间（最全最详细）

2023-05-16

注：这一章都是理解记忆性的内容，因此笔者在某些知识点会将自己的理解话语写上，便于可读性和方便理解。

本章内容包括：

单独编译；
存储持续性、作用域和链接性；
定位（placement）new运算符；
名称空间

9.1 单独编译

1. 头文件中不要放入函数定义或变量声明

解释：如果头文件包含一个函数定义，然后属于同一程序的其他两个文件中都包含了该头文件，则同一程序中就包含了函数的两个定义，除非函数内联(inline)，否则会出错。

2. 包含头文件的两种方式：< > vs " "

< >：如果文件名包含在<>中，则C++编译器将在存储标准头文件的主机系统的文件系统中查找；
" “：如果文件名包含在”“中，则编译器将首先查找当前工作目录或源代码目录（取决于编译器），如果在那没找到头文件，则将在标准位置查找。
注：因此在包含自己的头文件时，应使用引号”"而不是尖括号<>。

3. #define #ifndef #endif

解释：ifndef - if not defined。这三个如何使用，简要说明如以下三部分。

//#define - 通常使用#define语句来创建符号常量
#define NUMBER 24
//但只要将define作用于名称其实就可以完成该定义了，因此：
#define STUDY_H_

//下面代码片段意味着当且仅当以前没有使用预处理器编译指令
//#define定义名称STUDY_H_时，才处理#ifndef 和#endif之间的语句：
#ifndef STUDY_H_
....
#endif

//综上可以像如下这样使用：
#ifndef STUDY_H_
#define STUDY_H_
(place include file contents here)
#endif

9.2 存储持续性、作用域和链接性

C++使用三种不同的方案(C++11中是四种)来存储数据，这些方案的区别在于数据保留在内存中的时间。

1. 四种存储方案

1.1 自动存储持续性
在函数定义中声明的变量（包括函数的参数），其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，在执行完成函数或代码块时，他们的内存就被释放。C++有两种存储持续性为自动的变量。
1.2 静态存储持续性
在函数定义外定义的变量和使用关键字static定义的变量的存储持续性都为静态，他们在整个运行过程中都存在。C++有三种存储持续性为静态的变量。
1.3 线程存储持续性（C++11）
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。
1.4 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，有时候被称为自由存储或堆。

2.作用域和链接性

作用域：名称在文件中的多大范围可见（作用范围-函数/代码块、全局）
链接性：如何在不同的单元中共享（文件间-外链接、文件中-内链接、只能当前函数/代码块使用-无链接性）
2.1 自动变量：作用域为局部，无链接性

int main()
{
	int num;
	int testNum = 24;
	{
		cout << "internal: " << endl;
		int testNum = 23;
		cout << num << " = num" << endl;//输出随机数 
		cout << testNum << " = testNum" << endl;//输出结果为23 = testNum，此时当前地址的testNum为代码块局部变量，隐藏了之前的定义，新定义可见，就定义不可见。
	}
	cout << testNum << " = testNum" << endl;//输出结果为24 = testNum，此时当前地址的testNum为全局变量。
}

如上代码所示：①自动变量的初始化是不确定的；②自动变量的数目随着函数的开始和结束而增减，因此程序在运行时对其进行管理，通常是留出一块内存，并将其视栈进行管理变量的增减（这样理解之后，就很好记住自动变量这类数据是存储在栈区当中），栈如下图所示。
在这里插入图片描述
2.2 静态持续变量
C++为静态存储持续性变量提供了3种链接性：外部链接性（文件间：可在其他文件中访问）、内部链接性（只能在当前文件中访问）、无链接性（只能在当前函数或代码块种访问）。
2.2.1 与自动变量的区别：区别于自动变量，由于静态变量的数目在程序运行期间时不变的，因此程序不需要使用特殊装置（如栈）来管理它们。编译器通过分配固定的内存块来存储所有的静态变量，这些变量在程序执行期间一直存在（下面例子会说明），如果没有显式地初始化静态变量，其默认值会被设置为0（这也区别于自动变量的“随机数”）。
如下图中展示了静态外部变量、内部变量还有自动变量：a-静态内部变量、b静态外部变量、c自动变量。
静态、外部、自动
自动、静态变量存储方式
2.2.2 静态变量的初始化：分为静态初始化（零初始化、常量表达式初始化）、动态初始化（变量在编译后初始化-个人理解为有如函数调用等类似的情况）。注：常量表达式并非只能使用字面常量的算术表达式，还可以使用sizeof运算符等。

int x;//静态初始化：零初始化
int o = sizeof(int)//静态初始化：零初始化
int y = 5;//静态初始化：常量表达式初始化
long z = 13 * 13//静态初始化：常量表达式初始化
const double pi = 4.0 * atan(1.0);//动态初始化

2.2.3 静态持续性、外部链接性
首先了解C++的单定义规则，即在每个使用外部变量的文件中都必须声明它，但变量只能有一次定义。为了这种需求C++提供了两种变量声明：①定义声明（简称定义），它能给变量分配存储空间；②引用声明（简称声明），它不给变量分配存储空间，因为他引用的是已有的变量，其使用关键字extern。
关键字extern的使用：如果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文件中，必须使用extern声明它。

//file1.cpp
int num;
//int num = 16; 如果file1中num初始化了某个值，那么在file2中就不可以再num = 24;
//file2.cpp
#include "file1.cpp"
extern int num = 24;
int main()
{
	cout << num << " = num " << endl;//输出24,如果file2中extern int num，此时输出默认值0.
}

外部变量与局部变量：覆盖问题、如何选择
由如下代码块可以看出，外部变量在函数中会由局部变量所覆盖。

//file1.cpp
int num = 24;
//file2.cpp
extern int num;
void globalNum(int it);
void localNum();

using std::cout;

void globalNum(int it)
{
	extern int num;
	num += it;//此时num为外部(相对于局部称为全局)变量
	cout << num << " = num" << endl;
	cout << &num << " = address of num" << endl;	
}
void localNum()
{
	int num = 23;
	num += it;//此时num为局部变量
	cout << num << " = num" << endl;
	cout << &num << " = address of num" << endl;	
}

那么既然能使用全局、局部，该怎么选择呢?答：通常情况下，应使用局部变量。这是由于：全局变量是所有的函数都能访问，这样造成了程序的不可靠性。程序越能避免对数据的不必要访问，就越能保持数据的完整性。
2.2.4 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，该变量的链接性将为内部的。
如下代码块所示，首先它违反了单定义规则，file2中的定义试图创建一个外部变量，因此程序将包含两个error的定义，错误。

//file1.cpp
int error = 24;
//file2.cpp
#include "file1.cpp"
int error = 23;
//extern int error;
//这样才是正确的，在多文件的程序中，可以且只能在一个文件中定义一个外部变量，其他使用变量的文件只能使用关键字extern声明它。
void errorPrint()
{
	cout << error << endl;//failed
}

再如下代码块所示，file2定义了一个静态外部变量，虽然其名称与file1中声明的常规外部变量一样，但是这种情况下静态变量将隐藏常规外部变量，不会出错。（两种链接性）

//file1.cpp
int right = 24;
//file2.cpp
#include "file1.cpp"
static int right = 23;
void rightPrint()
{
	cout << right << endl;//uses right defined in file1 
}

2.2.5 静态持续性、无链接性
如下代码块所示，在代码块中使用static int total时，将导致局部变量的存储持续性为静态的，这意味着该变量只在当前代码块中可用，并且不处于活动状态时仍然存在，因此其与count的结果不一样。
如果初始化了静态局部变量，则程序只在启动时进行了一次初始化，以后再调用函数时，将不会像自动变量那样再次被初始化。

void test()
{
	using namespace std;
	static int total = 0;
	int count = 0;
	cout << total++ << " = total" << endl;
	cout << count++ << " = count" << endl;
}
int main()
{
	for(int i = 0; i < 2; ++i)
		test();
}
//输出结果如下：
0 = total
0 = count
1 = total
0 = count

2.2.6 说明符与限定符
auto(在C++11中不再是说明符):以前的auto用于显示地指出变量为自动存储，在C++11中使用auto关键字可以要求编译器对变量的类型进行自动推导
register:
static:关键字static被用于整个文件时表示其变量是内部链接性；被用于局部声明中时，表示局部变量的存储持续性为静态的。
extern:关键字extern声明是引用声明，即声明引用在其他地方定义的变量。
thread_local(C++11新增):关键字thread_local指出变量的持续性与其所属线程的持续性相同，其变量之于线程犹如常规静态变量之于整个程序。
mutable:关键字mutable，例如在结构体中可以让const限定符后的结构体的mutable成员完成修改。
在C++中，const限定符对默认存储类型稍有影响，在默认情况下，全局变量的链接性为外部，但const全局变量的链接性为内部。所以如果程序员希望某个常量的链接性为外部，则可以使用extern来覆盖默认的内部链接性：

extern const int state = 50；

2.2.7 函数和链接性
C++不允许在一个函数中定义另一个函数，因此所有函数的持续性都自动为静态的，即在程序执行期间一直存在。**在默认的情况下，函数的链接性为外部，即可以在文件间分享，使用关键字static可以将函数的链接性设置成内部的，即只能在一个文件中使用。**此时，必须同时在原型和函数定义中使用extern。和变量一样，也存在静态函数覆盖外部定义的情况。

static int private(int num);
....
static int private(int num)
{
	....
}

实际上，可以在函数原型中使用关键字extern指出函数是另一个文件中定义的，但这是可选的，这需要文件必须作为程序的组成部分被编译，或链接程序搜索的库文件。
单定义规则也适用于非内联函数，每个非内联函数程序只能包含一个定义。
针对内联函数：允许程序员将内联函数的定义放在头文件中，这样包含了头文件的每个函数都有其定义，C++要求同一个函数的所有内敛定义必须相同。
2.2.8 存储方案和动态分配
通常，编译器使用三块独立的内存：用于静态变量（可能再细分）、用于自动变量、用于动态存储。
动态内存是由运算符new、delete控制，而不是由作用域和链接性规则控制。因此，可以在一个函数重分配动态内存，而在另一个函数中将其释放。
注：通常程序结束时，由new分配的内存都将被释放，但是情况并不总是这样，在某些情况下，请求大型内存块将导致代码块在程序结束时不会被自动释放。因为最佳做法是使用delete手动释放。
①下面介绍使用new运算符的初始化：

//内置的标量类型(如int/double...)
int *pi = new int(6);// *pi set to 6
double *pd = new double(99.99);//*pd set to 99.99
//常规结构和数组，需要用大括号的列表初始化(C++11)
struct where {double x; double y; double z};
where *one = new where {1.1, 1.2, 1.3};
int *ar = new int[4] {1, 2, 3, 4};
//在C++11中还可以使用列表初始化用于单值常量
int *pi = new int{6};
double *pd = new double{99.99};

//其他形式
int *pi = new(sizeof(int));
int *pi = new(40 * sizeof(int));// int *pi = new int[40];

②new失败：new可能找不到请求的内存量，现在这将引发异常std::bad_alloc。
③定位new运算符
new负责在堆(heap)中找到一个能够满足要求的内存块，new运算符还有个变体可以指定要使用的位置，被称为定位(placement)new运算符。

#include <new>
char buffer[50];//静态内存，位于delete管辖范围外
int main()
{
	int offset = 1;
	int *p = new (buffer) int[20];
	//也可以加上偏移量
	//int *p = new (buffer + 1*sizeof(int)) int[20];
	...
	delete[] p//don't work
}

注：delete只能用于常规new运算发分配的堆内存，而对定位new运算符，不属于其管辖内存范围。

9.3 名称空间

在这里插入图片描述

下面举个例子说明下名称空间简单的基本使用

//file1.cpp
namespace kobe
{
	int number;
	std::string last_name;
	struct lakers
	{
		std::string fname;
		std::string lname;
	};
	void restInPeace();
}
namespace pau
{
	using namespace kobe;
	struct LAKERS
	{
		lakers fname;
		double amount;
	}
	...
} 
//file2.cpp
#include "file1.cpp"
namespace kobe
{
	using std::cout;
	void restInPeace()
	{
		cout << "RIP, Kobe Bean Bryant " << endl;
	}
}

1. using编译指令和using声明

//using编译指令 
using namespce std
//using声明 
int x;
std::cin >> x;
std::cout << x << std::endl;

//using声明 
using std::cin;
using std::cout;
using std::endl;

cin >> x;
cout << x << endl;

注：
Ⅰ. 不要在头文件中使用using编译指令。首先，这样做掩盖了哪些名称可用；另外包含头文件的顺序可能影响程序的行为。如果非得要使用编译指令using，应该放其在所有预处理器编译指令#include之后。
Ⅱ. 导入名称时，首选使用作用域解析运算符或者using声明的方法。
Ⅲ. 对于using声明，首选将作用域设置为局部而不是全局。

9.4 内容归纳

程序多文件便写：头文件、源代码文件、main和其他使用这些自定义类型和自定义函数的函数文件；
自动变量、静态变量、动态变量的作用域与链接性。
注意extern、static、const；
new delete（普通new、定位new运算符）；
名称空间为了减少名称冲突，控制名称的作用域：作用域解析运算符、using声明、using编译指令。

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最后，放一张我本科时得到国奖写的个人事迹的其中一块的截图，来标记下我的第一篇博文。也希望你我在学习过程中、成长过程中都永怀一颗曼巴的心♥
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