为什么你会想要在堆上拥有一个数组？

Question

为什么你会想在堆上拥有一个数组？我的教授给出了两个原因：

1. 将数组传递给函数，而不是传递副本
2. 使数组超出范围

这两个问题是否可以通过以下方式解决：

1. 传递指向堆栈上数组的指针
2. 返回数组的值而不是数组本身（即使用复制构造函数）

能否给我一个必须使用堆上数组的示例？

- dfg

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@JoshuaTaylor 使用复制构造函数返回数组。 - dfg

在堆栈上分配大型数组并不是一个好主意。 - Charlie Burns

@DyP 通过一些谷歌搜索，我得知 std::array 自 C++11 起就已经存在了。难怪我没有想到它。不过请原谅我，我得去把一些孩子从我的草坪上赶走。 - Joshua Taylor

@JoshuaTaylor，现在有了std::array并不意味着数组现在有构造函数了。该语句只是变得模糊了;)（“原始”数组与std::array）。 - dyp

堆很大，栈很小。 - Guido

Answer 1

堆中的数组用于超出函数作用域的情况。如果您不想在上一个（更高级的）调用程序中使用它，则仅在堆栈上传递指向数组的指针是有效的。您不能从函数返回数组，但可以返回指向数组的指针，但如果它在堆栈中分配，则在函数返回后，它将指向无效的内存位置。

第一个原因是错误的：数组永远不会通过复制传递。当您调用函数时，数组名称总是衰减为其第一个元素的指针，以避免复制整个数组。如果要通过复制传递数组，则必须将其嵌入到结构体中并传递结构体。

动态数组分配也很有用，如果您事先不知道数组的大小（尽管在C99引入可变长度数组之后，这不再是真的 - 但仍然，可变长度数组在堆栈上分配，因此您将遇到相同的问题）。

另一个使用堆分配的好处是，对于非常大的数组，您可以轻松地跳出堆栈内存。堆通常更大。

- Filipe Gonçalves

Answer 2

在C中，数组被表示为指向数组数据位置的指针（它指向数组中的第一个项目）。对于基于堆栈的数组，数组指针和数据位于同一位置。对于基于堆分配的数组，数组指针位于堆栈上，并指向堆上数组数据开始的位置。

对于点（2），您不能返回数组的值。相反，返回的是内存或堆栈上数组的位置。因此，在堆上分配它可以确保在从函数返回数组时保留数据。

另一方面，std :: vector的功能类似于数组。使用这个，数组数据分配在堆上，但管理数组的对象在堆栈上。因此，数组的生命周期由向量对象的生命周期控制。

std :: vector具有您描述的行为：

1.将向量按值传递到函数会导致在将其传递到函数时复制数据； 2.向量数据仅在函数的生命周期内存在。

从函数传递向量可能会导致数组数据被复制。但是，可以使用返回值优化和R值引用等方法进行优化，避免复制。

- reece

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提到这个规则的例外可能是一个好的方法：声明数组会给你一个数组，而声明指针会给你一个指针 - 它们不可互换。发生的情况是，数组名称在表达式中会衰减为第一个元素的指针，除非：a）它是 sizeof 运算符的操作数；b）你使用 & 运算符获取其地址；c）它是文字字符串初始化器。 当然，这些例外也适用于数组名称。 如果您在函数中将其作为参数接收，则具有指针，而不是数组。 - Filipe Gonçalves

在C语言中，数组被表示为指向数组数据位置的指针（它指向数组中的第一个元素），这是不正确的。并没有为指向数组的单独指针分配存储空间。唯一分配的存储空间是用于数组元素本身；指针值是从数组表达式中推断出来的。 - John Bode

Answer 3

#include <assert.h>
#include <stdlib.h>

int * f(int* array) {
    assert(array[0] == 1); // OK

    int static_array[] = {1, 2, 3};
    //return static_array = {1, 2, 3}; //BAD: only lives in this function

    int * dynamic_array = malloc(sizeof(int) * 2);
    dynamic_array[0] = 1;
    dynamic_array[1] = 2;
    return dynamic_array; // OK: lives outside also
}

int main()
{
    int static_array[] = {1, 2, 3};
    int * returned_array;
    returned_array = f(static_array);
    assert(returned_array[0] == 1);
    free(returned_array);
}

- Ciro Santilli OurBigBook.com

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那个 new 关键字是从哪里来的？这个问题标记了 [tag:C]。 - Joshua Taylor

Answer 4

除非你需要让数组在声明和初始化它的函数的作用域之外继续存在，否则编译器可以进行一些优化，这些优化很可能比程序员猜测的更有效。除非你有时间进行基准测试和实验，并且你的应用程序对性能至关重要，否则将优化留给编译器。

- Sebastien

Answer 5

在堆上分配数组而不是栈的原因：

1. 数组非常大；
2. 数组的生命周期超出任何一个函数的范围；
3. 数组大小在编译时未知，并且可变长度数组在特定情况下不可用或无法使用（例如，可变长度数组不能在静态或文件作用域中声明）；
4. 数组需要调整大小。

- John Bode

Answer 6

如果这段代码能够正常运行而不崩溃，那么你可以在堆栈上分配所有的数组。

#include <string.h>
int main() {
    volatile char buf[1024 * 1024 * 64];
    memset(buf, 0, sizeof(buf));
}

- Joshua

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640K = 6401024（或者6401000..）现在是“64 MB应该足够每个人使用了”吗？ ;) - dyp

DyP：大多数系统只允许 ~1MB 的堆栈。 - Joshua

是的，默认情况下。我刚刚尝试并调整了可执行文件（增加最大堆栈大小），以使您的程序运行 ;) - dyp

我曾经使用过一个没有堆或类似堆分配的环境。虽然我可以动态地调整数组的大小，但我只能在声明它们的函数中进行操作，而不是其子函数中进行操作。 - Joshua