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对于返回局部指针变量的思考

我们大家都知道指针函数的返回指针不能指向函数内的自动变量,如果需要返回函数的内部变量的话,就需要将该变量声明为静态变量。为什么函数能够返回 静态变量的地址而不能返回局部自动变量的地址,到底什么样的对象能够返回其地址,而什么样的对象不能够返回其地址?静态变量与局部自动变量的主要区别是什 么?

 

     要想明白这些就需要理解程序的内存布局情况

     程序的存储区域分为:代码段、只读数据段、已初始化的读写数据段、未初始化的数据段、堆、栈。

     1、代码段、只读数据段、已初始化的读写数据段、未初始化的数据段都属于静态区域。

     2、堆内存只在程序运行时出现,一般有程序员分配和释放。

     3、栈内存只在程序运行时出现,在函数内部使用的变量,函数参数以及返回值将使用栈空间。

 

     到底存储在静态区域和存储在栈区域的对象在返回指针的函数中有什么本质区别,为什么存储在静态区域的静态变量就能够返回其地址,而存储在栈区域的自动变量不能返回其地址?

  

      主要在于他们的管理机制不同,存储在静态区域的对象的生存周期是主函数的生存周期,而存储在栈区域的对象生存周期为指针函数开始运行到指针函数结束,当指 针函数结束时存储在栈区域的对象生存周期也就结束,其地址也变成无效地址。栈空间由编译器自动分配和释放,函数结束时其栈空间释放内存。堆区域一般由程序 员来控制其生存周期。因此,指针函数返回的指针能够指向静态区域的变量而不能指向自动局部变量。

      当函数使用指针作为返回值时,它可以指向静态区域的地址,可以指向堆内存的地址,也可以指向函数调用者的栈空间,但是它不可以指向一个函数内部栈内存的地址。

      因此,能不能返回局部指针变量,不在于这个指针变量的类型和性质(不在于该指针是不是局部指针变量),而在于该指针指向的对象的类型和性质。如果该指针指向函数内部的栈空间,则程序非法,如果指向静态区域的地址,则合法。

   

     因此,判断指针函数返回值是否合法,应该首先看看该返回指针变量指向的对象的存储区域,即该指针指向的区域。透过现象看本质,不同区域的对象本质区别在于 其的生存周期的有效性不同,判断返回的指针值是否有效合法,最本质应该看看该指针指向的对象的生存周期在函数结束后是否有效。如果该对象的生存周期长于指 针函数的生存周期,则该指针返回值合法,否则,该指针的值为非法地址。即使该指针指向堆区域的地址但在指针函数结束时,堆已释放,则该函数的返回地址仍为 非法。

*****************************************************

如果函数的参数是一个指针,不要指望用该指针去申请动态内存。示例7-4-1中,Test数的语句GetMemory(str, 200)并没有使str获得期望的内存,str依旧是NULL,为什么?

 

void GetMemory(char *p, int num)

{

    p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);

}

void Test(void)

{

    char *str = NULL;

    GetMemory(str, 100);    // str 仍然为 NULL 

    strcpy(str, "hello");   // 运行错误

}

示例7-4-1 试图用指针参数申请动态内存

 

毛病出在函数GetMemory 中。编译器总是要为函数的每个参数制作临时副本,指针参数p的副本是 _p,编译器使 _p = p。如果函数体内的程序修改了_p的内容,就导致参数p的内容作相应的修改。这就是指针可以用作输出参数的原因。在本例中,_p申请了新的内存,只是把 _p所指的内存地址改变了,但是p丝毫未变。所以函数GetMemory并不能输出任何东西。事实上,每执行一次GetMemory就会泄露一块内存,因 为没有用free释放内存。

如果非得要用指针参数去申请内存,那么应该改用“指向指针的指针”,见示例7-4-2

 

void GetMemory2(char **p, int num)

{

    *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);

}

void Test2(void)

{

    char *str = NULL;

    GetMemory2(&str, 100);  // 注意参数是 &str,而不是str

    strcpy(str, "hello");  

    cout<< str << endl;

    free(str); 

}

示例7-4-2用指向指针的指针申请动态内存

 

由于“指向指针的指针”这个概念不容易理解,我们可以用函数返回值来传递动态内存。这种方法更加简单,见示例7-4-3

 

char *GetMemory3(int num)

{

    char *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);

    return p;

}

void Test3(void)

{

    char *str = NULL;

    str = GetMemory3(100); 

    strcpy(str, "hello");

    cout<< str << endl;

    free(str); 

}

示例7-4-3 用函数返回值来传递动态内存

 

用函数返回值来传递动态内存这种方法虽然好用,但是常常有人把return语句用错了。这里强调不要用return语句返回指向“栈内存”的指针,因为该内存在函数结束时自动消亡,见示例7-4-4

 

char *GetString(void)

{

    char p[] = "hello world";

    return p;   // 编译器将提出警告

}

void Test4(void)

{

char *str = NULL;

str = GetString();  // str 的内容是垃圾

cout<< str << endl;

}

示例7-4-4 return语句返回指向“栈内存”的指针

 

用调试器逐步跟踪Test4,发现执行str = GetString语句后str不再是NULL指针,但是str的内容不是hello world而是垃圾。

如果把示例7-4-4改写成示例7-4-5,会怎么样?

 

char *GetString2(void)

{

    char *p = "hello world";

    return p;

}

void Test5(void)

{

    char *str = NULL;

    str = GetString2();

    cout<< str << endl;

}

示例7-4-5 return语句返回常量字符串

 

函数Test5运行虽然不会出错,但是函数GetString2的设计概念却是错误的。因为GetString2内的“hello world”是常量字符串,位于静态存储区,它在程序生命期内恒定不变。无论什么时候调用GetString2,它返回的始终是同一个“只读”的内存块。



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