第十二章 动态内存 exce
2020年11月10日大约 13 分钟
第十二章 动态内存
练习12.1
在此代码的结尾，
b1和b2各包含多少个元素？
StrBlob b1;
{
StrBlob b2 = {"a", "an", "the"};
b1 = b2;
b2.push_back("about");
}解：
它们实际操作的是同一个vector，都包含4个元素。在代码的结尾，b2 被析构了，不影响 b1 的元素。
练习12.2
编写你自己的
StrBlob类，包含const版本的front和back。
解：
头文件：
#include <vector>
#include <string>
#include <initializer_list>
#include <memory>
#include <exception>
using std::vector; using std::string;
class StrBlob {
public:
using size_type = vector<string>::size_type;
StrBlob():data(std::make_shared<vector<string>>()) { }
StrBlob(std::initializer_list<string> il):data(std::make_shared<vector<string>>(il)) { }
size_type size() const { return data->size(); }
bool empty() const { return data->empty(); }
void push_back(const string &t) { data->push_back(t); }
void pop_back() {
check(0, "pop_back on empty StrBlob");
data->pop_back();
}
std::string& front() {
check(0, "front on empty StrBlob");
return data->front();
}
std::string& back() {
check(0, "back on empty StrBlob");
return data->back();
}
const std::string& front() const {
check(0, "front on empty StrBlob");
return data->front();
}
const std::string& back() const {
check(0, "back on empty StrBlob");
return data->back();
}
private:
void check(size_type i, const string &msg) const {
if (i >= data->size()) throw std::out_of_range(msg);
}
private:
std::shared_ptr<vector<string>> data;
};主函数：
#include "ex12_02.h"
#include <iostream>
int main()
{
const StrBlob csb{ "hello", "world", "pezy" };
StrBlob sb{ "hello", "world", "Mooophy" };
std::cout << csb.front() << " " << csb.back() << std::endl;
sb.back() = "pezy";
std::cout << sb.front() << " " << sb.back() << std::endl;
}练习12.3
StrBlob需要const版本的push_back和pop_back吗？如需要，添加进去。否则，解释为什么不需要。
解：
不需要。push_back 和 pop_back 会改变对象的内容。而 const 对象是只读的，因此不需要。
练习12.4
在我们的
check函数中，没有检查i是否大于0。为什么可以忽略这个检查？
解：
因为 size_type 是一个无符号整型，当传递给 check 的参数小于 0 的时候，参数值会转换成一个正整数。
练习12.5
我们未编写接受一个
initializer_list explicit参数的构造函数。讨论这个设计策略的优点和缺点。
解：
构造函数不是 explicit 的，意味着可以从 initializer_list 隐式转换为 StrBlob。在 StrBlob 对象中，只有一个数据成员 data，而 StrBlob 对象本身的含义，也是一个管理字符串的序列。因此，从 initializer_list 到 StrBlob 的转换，在逻辑上是可行的。而这个设计策略的缺点，可能在某些地方我们确实需要 initializer_list，而编译器仍会将之转换为 StrBlob。
练习12.6
编写函数，返回一个动态分配的
int的vector。将此vector传递给另一个函数，这个函数读取标准输入，将读入的值保存在vector元素中。再将vector传递给另一个函数，打印读入的值。记得在恰当的时刻delete vector。
解：
#include <iostream>
#include <vector>
using std::vector;
vector<int>* alloc_vector()
{
return new vector<int>();
}
void assign_vector(vector<int>* p)
{
int i;
while (std::cin >> i)
{
p->push_back(i);
}
}
void print_vector(vector<int>* p)
{
for (auto i : *p)
{
std::cout << i << std::endl;
}
}
int main()
{
auto p = alloc_vector();
assign_vector(p);
print_vector(p);
delete p;
return 0;
}练习12.7
重做上一题，这次使用
shared_ptr而不是内置指针。
解：
#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>
using std::vector;
std::shared_ptr<vector<int>> alloc_vector()
{
return std::make_shared<vector<int>>();
}
void assign_vector(std::shared_ptr<vector<int>> p)
{
int i;
while (std::cin >> i)
{
p->push_back(i);
}
}
void print_vector(std::shared_ptr<vector<int>> p)
{
for (auto i : *p)
{
std::cout << i << std::endl;
}
}
int main()
{
auto p = alloc_vector();
assign_vector(p);
print_vector(p);
return 0;
}练习12.8
下面的函数是否有错误？如果有，解释错误原因。
bool b() {
int* p = new int;
// ...
return p;
}解：
有错误。p会被强制转换成bool，继而没有释放指针 p 指向的对象。
练习12.9
解释下面代码执行的结果。
int *q = new int(42), *r = new int(100);
r = q;
auto q2 = make_shared<int>(42), r2 = make_shared<int>(100);
r2 = q2;解：
r 和 q 指向 42，而之前 r 指向的 100 的内存空间并没有被释放，因此会发生内存泄漏。r2 和 q2 都是智能指针，当对象空间不被引用的时候会自动释放。
练习12.10
下面的代码调用了第413页中定义的
process函数，解释此调用是否正确。如果不正确，应如何修改？
shared_ptr<int> p(new int(42));
process(shared_ptr<int>(p));解：
正确。shared_ptr<int>(p) 会创建一个临时的智能指针，这个智能指针与 p 引用同一个对象，此时引用计数为 2。当表达式结束时，临时的智能指针被销毁，此时引用计数为 1。
练习12.11
如果我们像下面这样调用
process，会发生什么？
process(shared_ptr<int>(p.get()));解：
这样会创建一个新的智能指针，它的引用计数为 1，这个智能指针所指向的空间与 p 相同。在表达式结束后，这个临时智能指针会被销毁，引用计数为 0，所指向的内存空间也会被释放。而导致 p 所指向的空间被释放，使得 p` 成为一个空悬指针。
练习12.12
p和sp的定义如下，对于接下来的对process的每个调用，如果合法，解释它做了什么，如果不合法，解释错误原因：
auto p = new int();
auto sp = make_shared<int>();
(a) process(sp);
(b) process(new int());
(c) process(p);
(d) process(shared_ptr<int>(p));解：
- (a) 合法。将
sp拷贝给process函数的形参，在函数里面引用计数为 2，函数结束后引用计数为 1。 - (b) 不合法。不能从内置指针隐式转换为智能指针。
- (c) 不合法。不能从内置指针隐式转换为智能指针。
- (d) 合法。但是智能指针和内置指针一起使用可能会出现问题，在表达式结束后智能指针会被销毁，它所指向的对象也被释放。而此时内置指针
p依旧指向该内存空间。之后对内置指针p的操作可能会引发错误。
练习12.13
如果执行下面的代码，会发生什么？
auto sp = make_shared<int>();
auto p = sp.get();
delete p;解：
智能指针 sp 所指向空间已经被释放，再对 sp 进行操作会出现错误。
练习12.14
编写你自己版本的用
shared_ptr管理connection的函数。
解：
#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
struct connection
{
std::string ip;
int port;
connection(std::string i, int p) : ip(i), port(p) {}
};
struct destination
{
std::string ip;
int port;
destination(std::string i, int p) : ip(i), port(p) {}
};
connection connect(destination* pDest)
{
std::shared_ptr<connection> pConn(new connection(pDest->ip, pDest->port));
std::cout << "creating connection(" << pConn.use_count() << ")" << std::endl;
return *pConn;
}
void disconnect(connection pConn)
{
std::cout << "connection close(" << pConn.ip << ":" << pConn.port << ")" << std::endl;
}
void end_connection(connection* pConn)
{
disconnect(*pConn);
}
void f(destination &d)
{
connection conn = connect(&d);
std::shared_ptr<connection> p(&conn, end_connection);
std::cout << "connecting now(" << p.use_count() << ")" << std::endl;
}
int main()
{
destination dest("220.181.111.111", 10086);
f(dest);
return 0;
}练习12.15
重写上一题的程序，用
lambda代替end_connection函数。
解：
#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
struct connection
{
std::string ip;
int port;
connection(std::string i, int p) : ip(i), port(p) {}
};
struct destination
{
std::string ip;
int port;
destination(std::string i, int p) : ip(i), port(p) {}
};
connection connect(destination* pDest)
{
std::shared_ptr<connection> pConn(new connection(pDest->ip, pDest->port));
std::cout << "creating connection(" << pConn.use_count() << ")" << std::endl;
return *pConn;
}
void disconnect(connection pConn)
{
std::cout << "connection close(" << pConn.ip << ":" << pConn.port << ")" << std::endl;
}
void f(destination &d)
{
connection conn = connect(&d);
std::shared_ptr<connection> p(&conn, [] (connection* p){ disconnect(*p); });
std::cout << "connecting now(" << p.use_count() << ")" << std::endl;
}
int main()
{
destination dest("220.181.111.111", 10086);
f(dest);
return 0;
}练习12.16
如果你试图拷贝或赋值
unique_ptr，编译器并不总是能给出易于理解的错误信息。编写包含这种错误的程序，观察编译器如何诊断这种错误。
解：
#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
using std::string; using std::unique_ptr;
int main()
{
unique_ptr<string> p1(new string("pezy"));
// unique_ptr<string> p2(p1); // copy
// ^
// Error: Call to implicitly-deleted copy constructor of 'unique_ptr<string>'
//
// unique_ptr<string> p3 = p1; // assign
// ^
// Error: Call to implicitly-deleted copy constructor of 'unique_ptr<string>'
std::cout << *p1 << std::endl;
p1.reset(nullptr);
}练习12.17
下面的
unique_ptr声明中，哪些是合法的，哪些可能导致后续的程序错误？解释每个错误的问题在哪里。
int ix = 1024, *pi = &ix, *pi2 = new int(2048);
typedef unique_ptr<int> IntP;
(a) IntP p0(ix);
(b) IntP p1(pi);
(c) IntP p2(pi2);
(d) IntP p3(&ix);
(e) IntP p4(new int(2048));
(f) IntP p5(p2.get());解：
- (a) 不合法。在定义一个
unique_ptr时，需要将其绑定到一个new返回的指针上。 - (b) 不合法。理由同上。
- (c) 合法。但是也可能会使得
pi2成为空悬指针。 - (d) 不合法。当
p3被销毁时，它试图释放一个栈空间的对象。 - (e) 合法。
- (f) 不合法。
p5和p2指向同一个对象，当p5和p2被销毁时，会使得同一个指针被释放两次。
练习12.18
shared_ptr为什么没有release成员？
release 成员的作用是放弃控制权并返回指针，因为在某一时刻只能有一个 unique_ptr 指向某个对象，unique_ptr 不能被赋值，所以要使用 release 成员将一个 unique_ptr 的指针的所有权传递给另一个 unique_ptr。而 shared_ptr 允许有多个 shared_ptr 指向同一个对象，因此不需要 release 成员。
练习12.19
定义你自己版本的
StrBlobPtr，更新StrBlob类，加入恰当的friend声明以及begin和end成员。
解：
#include <string>
#include <vector>
#include <initializer_list>
#include <memory>
#include <stdexcept>
using std::vector; using std::string;
class StrBlobPtr;
class StrBlob
{
public:
using size_type = vector<string>::size_type;
friend class StrBlobPtr;
StrBlobPtr begin();
StrBlobPtr end();
StrBlob() : data(std::make_shared<vector<string>>()) {}
StrBlob(std::initializer_list<string> il) : data(std::make_shared<vector<string>>(il)) {}
size_type size() const { return data->size(); }
bool empty() const { return data->empty(); }
void push_back(const string& s) { data->push_back(s); }
void pop_back()
{
check(0, "pop_back on empty StrBlob");
data->pop_back();
}
std::string& front()
{
check(0, "front on empty StrBlob");
return data->front();
}
std::string& back()
{
check(0, "back on empty StrBlob");
return data->back();
}
const std::string& front() const
{
check(0, "front on empty StrBlob");
return data->front();
}
const std::string& back() const
{
check(0, "back on empty StrBlob");
return data->back();
}
private:
void check(size_type i, const string& msg) const
{
if (i >= data->size())
throw std::out_of_range(msg);
}
private:
std::shared_ptr<vector<string>> data;
};
class StrBlobPtr
{
public:
StrBlobPtr() :curr(0) {}
StrBlobPtr(StrBlob &a, size_t sz = 0) :wptr(a.data), curr(sz) {}
bool operator!=(const StrBlobPtr& p) { return p.curr != curr; }
string& deref() const
{
auto p = check(curr, "dereference past end");
return (*p)[curr];
}
StrBlobPtr& incr()
{
check(curr, "increment past end of StrBlobPtr");
++curr;
return *this;
}
private:
std::shared_ptr<vector<string>> check(size_t i, const string &msg) const
{
auto ret = wptr.lock();
if (!ret) throw std::runtime_error("unbound StrBlobPtr");
if (i >= ret->size()) throw std::out_of_range(msg);
return ret;
}
std::weak_ptr<vector<string>> wptr;
size_t curr;
};
StrBlobPtr StrBlob::begin()
{
return StrBlobPtr(*this);
}
StrBlobPtr StrBlob::end()
{
return StrBlobPtr(*this, data->size());
}练习12.20
编写程序，逐行读入一个输入文件，将内容存入一个
StrBlob中，用一个StrBlobPtr打印出StrBlob中的每个元素。
解：
#include <iostream>
#include <fstream>
#include "exercise12_19.h"
using namespace std;
int main()
{
ifstream ifs("books.txt");
StrBlob sb;
string s;
while (getline(ifs, s))
{
sb.push_back(s);
}
for (StrBlobPtr sbp = sb.begin(); sbp != sb.end(); sbp.incr())
{
cout << sbp.deref() << endl;
}
return 0;
}练习12.21
也可以这样编写
StrBlobPtr的deref成员：
std::string& deref() const {
return (*check(curr, "dereference past end"))[curr];
}你认为哪个版本更好？为什么？
解：
原来的版本更好，可读性更高。
练习12.22
为了能让
StrBlobPtr使用const StrBlob，你觉得应该如何修改？定义一个名为ConstStrBlobPtr的类，使其能够指向const StrBlob。
解：
构造函数改为接受 const Strblob & , 然后给 Strblob 类添加两个 const 成员函数 cbegin 和 cend，返回 ConstStrBlobPtr。
练习12.23
编写一个程序，连接两个字符串字面常量，将结果保存在一个动态分配的
char数组中。重写这个程序，连接两个标准库string对象。
解:
#include <iostream>
#include <string>
#include <cstring>
#include <memory>
int main() {
const char *c1 = "Hello ";
const char *c2 = "World";
unsigned len = strlen(c1) + strlen(c2) + 1;
char *r = new char[len]();
strcat_s(r, len, c1);
strcat_s(r, len, c2);
std::cout << r << std::endl;
std::string s1 = "Hello ";
std::string s2 = "World";
strcpy_s(r, len, (s1 + s2).c_str());
std::cout << r << std::endl;
delete[] r;
return 0;
}练习12.24
编写一个程序，从标准输入读取一个字符串，存入一个动态分配的字符数组中。描述你的程序如何处理变长输入。测试你的程序，输入一个超出你分配的数组长度的字符串。
解：
#include <iostream>
int main()
{
std::cout << "How long do you want the string? ";
int size{ 0 };
std::cin >> size;
char *input = new char[size + 1]();
std::cin.ignore();
std::cout << "input the string: ";
std::cin.get(input, size + 1);
std::cout << input;
delete[] input;
return 0;
}练习12.25
给定下面的
new表达式，你应该如何释放pa？
int *pa = new int[10];解：
delete [] pa;练习12.26
用
allocator重写第427页中的程序。
#include <iostream>
#include <string>
#include <memory>
using namespace std;
int main()
{
int n = 5;
allocator<string> alloc;
auto p = alloc.allocate(n);
string s;
auto q = p;
while (cin >> s && q != p + n)
{
alloc.construct(q++, s);
}
while (q != p)
{
std::cout << *--q << " ";
alloc.destroy(q);
}
alloc.deallocate(p, n);
return 0;
}练习12.27
TextQuery和QueryResult类只使用了我们已经介绍过的语言和标准库特性。不要提前看后续章节内容，只用已经学到的知识对这两个类编写你自己的版本。
解：
头文件：
#ifndef EX12_27_H
#define EX12_27_H
#include <fstream>
#include <memory>
#include <vector>
#include <string>
#include <map>
#include <set>
class QueryResult;
class TextQuery
{
public:
using line_no = std::vector<std::string>::size_type;
TextQuery(std::ifstream&);
QueryResult query(const std::string& s) const;
private:
std::shared_ptr<std::vector<std::string>> file;
std::map<std::string, std::shared_ptr<std::set<line_no>>> wm;
};
class QueryResult
{
public:
friend std::ostream& print(std::ostream&, const QueryResult&);
QueryResult(std::string s,
std::shared_ptr<std::set<TextQuery::line_no>> p,
std::shared_ptr<std::vector<std::string>> f) :
sought(s), lines(p), file(f)
{}
private:
std::string sought;
std::shared_ptr<std::set<TextQuery::line_no>> lines;
std::shared_ptr<std::vector<std::string>> file;
};
std::ostream& print(std::ostream&, const QueryResult&);
#endif实现：
#include "ex_12_27.h"
#include <sstream>
#include <fstream>
#include <vector>
#include <string>
using namespace std;
TextQuery::TextQuery(ifstream& ifs) : file(new vector<string>)
{
string text;
while (getline(ifs, text))
{
file->push_back(text);
int n = file->size() - 1;
istringstream line(text);
string word;
while (line >> word)
{
auto &lines = wm[word];
if (!lines)
lines.reset(new set<line_no>);
lines->insert(n);
}
}
}
QueryResult TextQuery::query(const string& s) const
{
static shared_ptr<set<line_no>> nodata(new set<line_no>);
auto loc = wm.find(s);
if (loc == wm.end())
return QueryResult(s, nodata, file);
else
return QueryResult(s, loc->second, file);
}
std::ostream& print(std::ostream& os, const QueryResult& qr)
{
os << qr.sought << " occurs " << qr.lines->size() << " "
<< "time" << (qr.lines->size() > 1 ? "s" : "") << endl;
for (auto num : *qr.lines)
os << "\t(line " << num + 1 << ") " << *(qr.file->begin() + num) << endl;
return os;
}主函数：
#include <iostream>
#include <string>
#include <fstream>
#include "ex_12_27.h"
using namespace std;
void runQueries(ifstream& infile)
{
TextQuery tq(infile);
while (true)
{
cout << "enter word to look for, or q to quit: ";
string s;
if (!(cin >> s) || s == "q") break;
print(cout, tq.query(s)) << endl;
}
}
int main()
{
ifstream ifs("storyDataFile.txt");
runQueries(ifs);
return 0;
}练习12.28
编写程序实现文本查询，不要定义类来管理数据。你的程序应该接受一个文件，并与用户交互来查询单词。使用
vector、map和set容器来保存来自文件的数据并生成查询结果。
解：
#include <string>
using std::string;
#include <vector>
using std::vector;
#include <memory>
using std::shared_ptr;
#include <iostream>
#include <fstream>
#include <sstream>
#include <map>
#include <set>
#include <algorithm>
int main()
{
std::ifstream file("H:/code/C++/Cpp_Primer_Answers/data/storyDataFile.txt");
vector<string> input;
std::map<string, std::set<decltype(input.size())>> dictionary;
decltype(input.size()) lineNo{ 0 };
for (string line; std::getline(file, line); ++lineNo)
{
input.push_back(line);
std::istringstream line_stream(line);
for (string text, word; line_stream >> text; word.clear())
{
std::remove_copy_if(text.begin(), text.end(), std::back_inserter(word), ispunct);
dictionary[word].insert(lineNo);
}
}
while (true)
{
std::cout << "enter word to look for, or q to quit: ";
string s;
if (!(std::cin >> s) || s == "q") break;
auto found = dictionary.find(s);
if (found != dictionary.end())
{
std::cout << s << " occurs " << found->second.size() << (found->second.size() > 1 ? " times" : " time") << std::endl;
for (auto i : found->second)
std::cout << "\t(line " << i + 1 << ") " << input.at(i) << std::endl;
}
else std::cout << s << " occurs 0 time" << std::endl;
}
}练习12.29
我们曾经用
do while循环来编写管理用户交互的循环。用do while重写本节程序，解释你倾向于哪个版本，为什么？
解：
do {
std::cout << "enter word to look for, or q to quit: ";
string s;
if (!(std::cin >> s) || s == "q") break;
print(std::cout, tq.query(s)) << std::endl;
} while ( true );我更喜欢 while，这可能是习惯的问题。
练习12.30
定义你自己版本的
TextQuery和QueryResult类，并执行12.3.1节中的runQueries函数。
解：
同12.27。
练习12.31
如果用
vector代替set保存行号，会有什么差别？哪个方法更好？为什么？
如果用 vector 则会有单词重复的情况出现。而这里保存的是行号，不需要重复元素，所以 set 更好。
练习12.32
重写
TextQuery和QueryResult类，用StrBlob代替vector<string>保存输入文件。
解：
TextQuery 和 QueryResult 类中的 file 成员，改为 指向 StrBlob 的智能指针。在访问 StrBlob 时，要使用 StrBlobPtr。
练习12.33
在第15章中我们将扩展查询系统，在
QueryResult类中将会需要一些额外的成员。添加名为begin和end的成员，返回一个迭代器，指向一个给定查询返回的行号的set中的位置。再添加一个名为get_file的成员，返回一个shared_ptr，指向QueryResult对象中的文件。
解：
class QueryResult{
public:
using Iter = std::set<line_no>::iterator;
// ...
Iter begin() const { return lines->begin(); }
Iter end() const { return lines->end(); }
shared_ptr<std::vector<std::string>> get_file() const
{
return std::make_shared<std::vector<std::string>>(file);
}
private:
// ...
};