谷雨同学的 C++ 教程

存储期

在学习如何建立一个链表之前，我们首先要学习一个叫做存储期（Storage duration）的概念。每个变量都拥有一个存储期，指出在什么时候为这个变量分配内存，在什么时候将这个变量的内存释放。

自动存储期

在复合语句和形参中声明的局部变量拥有自动存储期（Automatic storage duration）。自动存储期的变量在进入复合语句（或函数体）时分配到内存，在离开复合语句（或函数体）时释放内存。这个过程我们在函数章节已经有所演示了。

静态存储期

全局变量拥有静态存储期（Static storage duration）。不同于自动存储期，它们会在程序启动的时候立即分配内存。全局变量会在分配内存后进行初始化。它们直到程序退出的时候才和程序共同将存储空间释放给操作系统。全局变量若有初始化器，则它的初始化值必须是编译期常量；如果没有初始化器，则零初始化。

静态局部变量（选读）

局部变量也可以拥有静态存储期。你只需要用 static 关键字修饰局部变量的声明语句即可。

#include <iostream>
using namespace std;
void f() {
    static int a{42};
    a++;
    cout << a << " ";
}

和全局变量类似，它们在程序启动的时候获得内存，但不进行初始化。在第一次执行声明语句时，进行初始化；此后再次执行声明语句时什么也不做，不会再次初始化。

#include <iostream>
using namespace std;
void f() {
    static int a{42};
    a++;
    cout << a << " ";
}
int main() {
    f();
    f();
    f();
}

比如这里 main 函数调用了三次 f，但因为初始化只执行一次，所以输出为 43 44 45。静态局部变量的存储空间不随着函数的调用和返回而变动，所以不受函数空间大小的限制。

动态存储期

但是这些都不适合链表。因为链表中每一个节点都是独立的，我们需要手动控制何时创建一个节点，何时令一个节点消亡。我们称那些可以在运行期间控制何时分配内存、释放内存的变量拥有动态存储期（Dynamic storage duration）。

我们通过 new 表达式手动向操作系统申请一片内存，并进行初始化。

运算符名称作用
new Tnew 运算符获取一个非数组的 T 类型变量的存储空间
delete pdelete 运算符将 p 指向的存储空间释放（稍后解释）

new 表达式 new T 的结果是一个指向 T 类型的指针，这个指针所存放的地址就是刚刚申请到的那片存储空间。比如：

int* ptr{nullptr};
ptr = new int;

这里，ptr 这个指针赋值为 new 表达式申请的地址。你可以通过这个指针来对这个刚刚得到的存储空间进行操作。比如：

*ptr = 42;

为了体现动态存储期的特点，我们这样写：

#include <iostream>
using namespace std;
// 获得一个存储空间，并赋值为 value
int* getSpace(int value) {
    int* ptr{new int};
    *ptr = value;
    return ptr;
}
int main() {
    int* ptr{nullptr};
    cout << "Continue?" << endl;
    if (cin.get() == 'y')  {
        ptr = getSpace(42);
        cout << *ptr << endl;
    }
    delete ptr; // 见后文
}

这里，getSpace 函数用于获取一片空间，并将指向这个空间的指针返回。而 main 函数中，是否获取这个空间取决于运行期间的输入：如果我们的输入是 y，则获取空间并存放变量；否则不做任何事情，也不会有任何变量被定义。而且，ptr 指向的这块存储空间可以在任何场合下访问：我们既可以在 getSpace 函数中给它赋值，也可以在 main 函数中将它的值输出。这是全局变量和局部变量都无法实现的，也是我们之后实现链表的必需手段。

new 表达式在分配内存完成后会自动进行初始化。你可以把初始化器放在 new 表达式中，比如：

new int{42};

这样，这块内存就会执行 {42} 这个初始化。这个语法在分配结构体内存时很有用，比如下面的代码：

struct Node {
    int data;
    Node* next;
};
void f() {
    Node* head{new Node{42, nullptr}};
}

通过 new 表达式分配到的内存必须要用 delete 表达式释放。比如：

int* ptr{new int};
// [...] 对 *ptr 的操作
delete ptr;

当执行 delete ptr; 后，ptr 指向的内存空间归还给操作系统，因此 *ptr 成为了非法操作——这片存储空间已经不能再用了！我们在删除链表节点的时候，就需要执行这样的操作。

危险

new 到的存储空间用 delete 释放，这是一个必须养成的编程习惯。如果 new 完不 delete，可能导致严重的内存泄漏问题。所以请务必细心编写你的代码。

总结

最后我们用一张表来总结这些存储期。如果上面的内容没有太看懂，希望这张表能够帮你理解。

存储期常见情形何时分配内存何时初始化何时释放内存
自动存储期复合语句中声明的变量进入复合语句时执行声明语句时离开复合语句时
函数形参调用函数时从函数返回时
静态存储期全局变量程序启动时程序启动时（常量初始化）程序退出时
静态局部变量第一次执行声明语句时
动态存储期通过 new 表达式获得内存执行 new 表达式时执行 delete 表达式时

除了上述三种存储期，还有线程存储期（Thread storage duration）。

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