11. Управление на паметта

План:
Управление на паметта
Деструктор
Операция присвояване
Конструктор за копиране
** Необходимост от управление на паметта

Ще опростим примера от Указатели за използване на указател в клас (department.cpp), като оставим само администратор.
 
// department0.cpp

 #include <string>
 #include <iostream>
 using namespace std;

 #include "ccc_empl.h"

 /**
    A department in an organization.
 */
 class Department {
 public:
    Department(string n);
    void set_receptionist(Employee* e);
    void print() const;
 private:
    string name;
    Employee* receptionist;
 };

 /**
    Constructs a department with a given name.
    @param n the department name
 */
 Department::Department(string n)
 {  
    name = n;
    receptionist = NULL;
 }

 /**
    Sets the receptionist for this department.
    @param e the receptionist
 */
 void Department::set_receptionist(Employee* e)
{ 
    receptionist = e; 
}

 /**
    Prints a description of this department.
 */
 void Department::print() const
 {  
    cout << "Name: " << name << "\n"
         << "Receptionist: ";
    if (receptionist == NULL) cout << "None";
    else
       cout << receptionist->get_name() << " "
            << receptionist->get_salary();
    cout << "\n";
 }
 
 int main()
 {  
    Department shipping("Shipping");
    Employee* harry = new Employee("Hacker, Harry", 45000);
    shipping.receptionist(harry);

    Department qc("Quality Control"); 
    Employee* tina = new Employee("Tester, Tina", 50000);
    qc.set_receptionist(tina);
    tina->set_salary(55000);

    shipping.print();
    qc.print();

    delete harry;
    delete tina;  
    return 0;
 }
nkirov@cpp % c++ department0.cpp ccc_empl.cpp
nkirov@cpp % ./a.out
Name: Shipping
Receptionist: None
Name: Quality Control
Receptionist: Tester, Tina 55000
nkirov@cpp %

Променяме конструктора на класа, като там създаваме (в динамичната памет) обект от клас Employee и указател към него, който е член-данна на класа.
class Department {
   ...
private:
   string name;
   Employee* receptionist;
};

Department::Department(string n, Employee e)
{  
   name = n;
   receptionist = new Employee(e.get_name(), e.get_salary());
}

/* second constructor */
Department::Department(string n)
{  
   name = n;
   receptionist = NULL;
}

department1.cpp
nkirov@cpp % c++ department1.cpp ccc_empl.cpp
nkirov@cpp % ./a.out
Name: Shipping
Receptionist: Hacker, Harry 45000
Name: Quality Control
Receptionist: Tester, Tina 50000
nkirov@cpp %

С операция new в конструктора на класа се създава обект, като указател към него е данна на класа.
Къде да се изпълни операция delete?
С операция delete в деструктора на класа се унищожава създадения обект от конструктора на класа.

** Деструктор (destructor)

Деструктор е специална член-функция, която се извиква автоматично когато обектът излезе от обхват (out of scope) - Функции II.
Деструкторът на класа Department унищожава създадения от конструктора обект.

Department::~Department()
{
    delete receptionist;
}
 
department2.cpp
nkirov@Kcpp % c++ department2.cpp ccc_empl.cpp
nkirov@cpp % ./a.out
Constructor:
Name: Shipping
Receptionist: Hacker, Harry 45000
Constructor:
Name: Quality Control
Receptionist: Tester, Tina 50000
Destructor:
Name: Quality Control
Receptionist: Tester, Tina 50000
Destructor:
Name: Shipping
Receptionist: Hacker, Harry 45000
nkirov@cpp %

** Предефиниране на операция присвояване (assignment operator)

Нека имаме следните дефиниции:

Department qc("Quality Control", Employee("Tester, Tina", 50000));
Department dept("Shipping", Employee("Hacker, Harry", 35000));

и след това приложим операция присвояване, която е дефинирана за всеки клас (и се нарича почленно копиране):

dept = qc;

1. Това присвояване води до загуба на памет (memory leak) - имаме недостъпен обект (от тип Employee)!


2. Когато един от обектите (qc или dept) излезе от обхват (и изтрие обекта *receptionist), получаваме висящ указател receptionist (dangling pointer) - указател към изтрит обект! 

department3.cpp

nkirov@cpp % c++ department3.cpp ccc_empl.cpp
nkirov@cpp % ./a.out
Constructor:
Name: Shipping
Receptionist: Hacker, Harry 45000
Constructor:
Name: Quality Control
Receptionist: Tester, Tina 50000
Destructor:
Name: Quality Control
Receptionist: Tester, Tina 50000
Destructor:
Name: Quality Control
Receptionist: Tester, Tina 50000
a.out(98538,0x110221e00) malloc: *** error for object 0x7fbe08c059f0: pointer being freed was not allocated
a.out(98538,0x110221e00) malloc: *** set a breakpoint in malloc_error_break to debug
zsh: abort      ./a.out
nkirov@cpp %

За да избегнем това, е необходимо да направим копие на обекта от клас Employee (с адрес от обекта qc) и да поставим адреса на копието за стойност на полето receptionist.
Това може да се направи като предефинираме операция присвояване за обекти от класа Employee.

Department& Department::operator=(const Department& b)
{  
    if (this != &b)
   {  
      name = b.name;
      delete receptionist;
      if (b.receptionist == NULL) receptionist = NULL;
      else
         receptionist = new Employee(b.receptionist->get_name(),
         			b.receptionist->get_salary());
    }
    return *this;
}

dept = qc; // dept.operator=(qc)

- Променяме (копираме) данните, които не са указатели (в случая name) от обект b в обект *this;
- Изтриваме обекта с адрес в указателя receptionist от *this (текущия обект);
- Създаваме нов обект от тип Employee за *this, копие на обекта *receptionist от параметъра на функцията за предефиниране (който е десния аргумент на операция =) b. 

Функцията за предефиниране задължително трябва да е член-функция (защо?).

 department4.cpp

nkirov@cpp % c++ department4.cpp ccc_empl.cpp
nkirov@cpp % ./a.out
Constructor:
Name: Shipping
Receptionist: Hacker, Harry 45000
Constructor:
Name: Quality Control
Receptionist: Tester, Tina 50000
Destructor:
Name: Quality Control
Receptionist: Tester, Tina 50000
Destructor:
Name: Quality Control
Receptionist: Tester, Tina 50000
nkirov@cpp %

** Конструктор за копиране (copy constructor)

Предназначението на операция присвояване е да промени съществуващ обект (левия аргумент на операцията), като го направи същия като друг обект (десния аргумент на операцията) и не е подходяща за конструиране на нов обект.

Например в оператора за дефиниране на обект:

Department dept = qc; // not assignment operator!

не може да се използва (и не е!) операция присвояване.

Правилното конструиране на обект, копие на друг обект е: 

Department dept(qc); // copy constructor

т.е. като се извика конструктор за копиране (и по-горе компилаторът извиква конструктора за копиране).

За всеки клас в езика С++ има (по подразбиране) такъв конструктор, но той действа с почленно копиране и възниква същия проблем, както при операция присвояване.

Решението е да се напише (предефинира) конструктор за копиране:

Department::Department(const Department& b)
{  
   name = b.name;
   if (b.receptionist == NULL) receptionist = NULL;
   else
      receptionist = new Employee(b.receptionist->get_name(),
         			b.receptionist->get_salary());
}

Конструкторът за копиране се вика и когато се предава параметър-стойност на функция, напр.

void print(Department d)
{ ... }

Department dep("Administration")
...
print(dep);
....

Пример:

// department.cpp

001: #include <string>
002: #include <iostream>
004: using namespace std;
005: 
006: #include "ccc_empl.h"
008: /**
009:    A department in an organization.
010: */
011: class Department {
013: public:
014:    Department(string n);
015:    Department(string n, Employee e);
016:    ~Department();
017:    Department& operator=(const Department& b);
018:    Department(const Department& b);
019:    void print() const;
020: private:
021:    string name;
022:    Employee* receptionist;
023: };
024: 
025: /**
026:    Constructs a department with a given name and no receptionist.
027:    @param n the department name
028: */
029: Department::Department(string n)
030: {  name = n;
032:    receptionist = NULL;
034:    cout << "Constructor: ";
035:    print();
036: }
037: 
038: /**
039:    Constructs a department with a given name and receptionist.
040:    @param n the department name
041:    @param e the receptionist
042: */
043: Department::Department(string n, Employee e)
044: {  name = n;
046:    receptionist = new Employee(e.get_name(), e.get_salary());  
048:    cout << "Constructor: ";
049:    print();
050: }
051: 
052: /**
053:    Deletes the Employee object that this Department
054:    object manages.
055: */
056: Department::~Department()
057: {  cout << "Destructor: ";
059:    print();
061:    delete receptionist; 
062: }
063: 
064: /**
065:    Constructs a Department object as a copy of another
066:    Department object.
067:    @param b the object to copy
068: */
069: Department::Department(const Department& b)
070: {  cout << "Copy constructor: ";
072:    b.print();
073: 
074:    name = b.name;
075:    if (b.receptionist == NULL) receptionist = NULL;
077:    else
078:       receptionist = new Employee(b.receptionist->get_name(),
079:          b.receptionist->get_salary());
080: }
081: 
082: /**
083:    Sets this Department object to a copy of another
084:    Department object.
085:    @param b the object to copy
086: */
087: Department& Department::operator=(const Department& b)
088: {  cout << "Assignment: ";
090:    print();
091:    cout << "= ";
092:    b.print();
093:    
094:    if (this != & b)
095:    {  name = b.name;
097:       delete receptionist;
098:       if (b.receptionist == NULL) receptionist = NULL;
100:       else
101:          receptionist = new Employee(b.receptionist->get_name(),
102:             b.receptionist->get_salary());
103:    }
104:    return *this;
105: }
106: 
107: /**
108:    Prints a description of this department.
109: */
110: void Department::print() const
111: {  cout << "[name=" << name << ",receptionist=";
113:    if (receptionist == NULL)  cout << "NULL";
115:    else cout << receptionist->get_name();
117:    cout << "]\n";
118: }
119: 
120: int main()
121: {  Department shipping("Shipping");
123:    Department qc("Quality Control", 
124:               Employee("Tester, Tina", 50000));
125:    Department dept(qc); 
126:    dept = shipping;
127:    return 0;
128: }
nkirov@cpp % c++ department.cpp ccc_empl.cpp
nkirov@cpp % ./a.out
Constructor: [name=Shipping,receptionist=NULL]
Constructor: [name=Quality Control,receptionist=Tester, Tina]
Copy constructor: [name=Quality Control,receptionist=Tester, Tina]
Assignment: [name=Quality Control,receptionist=Tester, Tina]
= [name=Shipping,receptionist=NULL]
Destructor: [name=Shipping,receptionist=NULL]
Destructor: [name=Quality Control,receptionist=Tester, Tina]
Destructor: [name=Shipping,receptionist=NULL]
nkirov@cpp %

Когато използваме указатели (и динамична памет) в данните на клас, винаги трябва да дефинираме "големите три":
Пример: Клас List за реализация на свързан списък (list2.cpp) с дефиниране на "големите три" ("big three").
// list00.cpp

 #include <string>
#include <iostream>
#include <cassert>

using namespace std;

/* forward declarations */
class List;
class Iterator;

/** A class to hold the nodes of the linked list.  */
class Node {
public:
/** Constructs a node for a given data value.
       @param s the data to store in this node  */
   Node(string s);
private:
   string data;
   Node* previous;
   Node* next;
friend class List;
friend class Iterator;
};
  
/** An iterator denotes a position in the list or
    past the end of the list.  */
class Iterator {
public:
/** Constructs an iterator that is not attached to any list.  */
   Iterator();

/** Looks up the value at a position.
       @return the value of the Node to which the iterator
       points   */
   string operator*() const;

/** Advances the iterator to the next position.   */
   void operator++(int dummy);
  
/** Moves the iterator to the previous position.   */
   void operator--(int dummy);

/** Compares two iterators.
       @param b the iterator to compare with this iterator
       @return true if this iterator and b are equal   */
   bool operator==(Iterator b) const;

/** Compares two iterators.
       @param b the iterator to compare with this iterator
       @return true if this iterator and b are not equal   */
   bool operator!=(Iterator b) const;
private:
   Node* position;
   Node* last;
friend class List;
};

/** A linked list of values of a given type.
    @param T the type of the list values  */
class List {
public:
   /** Constructs an empty list.  */
   List();

   /** Constructs a list as a copy of another list.
       @param b the list to copy  */
   List(const List& b);

   /** Deletes all nodes of this list.   */
   ~List();
  
    /** Assigns another list to this list.
       @param b the list to assign
       @return a reference to this list  */
   List& operator=(const List& b);

   /** Appends an element to the list.
       @param s the value to append  */
   void push_back(string s);

   /** Inserts an element into the list.
       @param iter the position before which to insert
       @param s the value to append  */
   void insert(Iterator iter, string s);

   /** Removes an element from the list.
       @param i the position to remove
       @return an iterator pointing to the element after the
       erased element  */
   Iterator erase(Iterator i);

   /** Gets the beginning position of the list.
       @return an iterator pointing to the beginning of the list  */
   Iterator begin() const;

   /** Gets the past-the-end position of the list.
       @return an iterator pointing past the end of the list  */
  Iterator end() const;

private:
   /** Copies another list to this list.
       @param b the list to copy  */
   void copy(const List& b);

   /** Deletes all nodes of this list.   */
   void free();

   Node* first;
   Node* last;
};

List::List()
{  first = NULL;
   last = NULL;
}

List::~List()
{  free();
}

List::List(const List& b)
{  first = NULL;
   last = NULL;
   copy(b);
}

List& List::operator=(const List& b)
{  if (this != &b)
   {  free();
      copy(b);
   }
   return *this;
}

void List::push_back(string s)
{  Node* newnode = new Node(s);
   if (last == NULL) /* list is empty */
   {  first = newnode;
      last = newnode;
   }
   else
   {  newnode->previous = last;
      last->next = newnode;
      last = newnode;
   }
}

void List::insert(Iterator iter, string s)
{  if (iter.position == NULL)
   {  push_back(s);
      return;
   }

   Node* after = iter.position;
   Node* before = after->previous;
   Node* newnode = new Node(s);
   newnode->previous = before;
   newnode->next = after;
   after->previous = newnode;
   if (before == NULL) /* insert at beginning */
      first = newnode;
   else
      before->next = newnode;
}

Iterator List::erase(Iterator i)
{  Iterator iter = i;
   assert(iter.position != NULL);
   Node* remove = iter.position;
   Node* before = remove->previous;
   Node* after = remove->next;
  
   if (remove == first) first = after;
   else before->next = after;
   if (remove == last) last = before;
   else after->previous = before;
  
   iter.position = after;
   delete remove;
   return iter;
}

Iterator List::begin() const
{  Iterator iter;
   iter.position = first;
   iter.last = last;
   return iter;
}

Iterator List::end() const
{  Iterator iter;
   iter.position = NULL;
   iter.last = last;
   return iter;
}

Iterator::Iterator()
{  position = NULL;
   last = NULL;
}

string Iterator::operator*() const
{  assert(position != NULL);
   return position->data;
}

void Iterator::operator++(int dummy)
{  assert(position != NULL);
   position = position->next;
}

void Iterator::operator--(int dummy)
{  if (position == NULL) position = last;
   else position = position->previous;
   assert(position != NULL);
}

bool Iterator::operator==(Iterator b) const
{  return position == b.position;
}

bool Iterator::operator!=(Iterator b) const
{  return position != b.position;
}

Node::Node(string s)
{  data = s;
   previous = NULL;
   next = NULL;
}

void List::copy(const List& b)
{  for (Iterator p = b.begin(); p != b.end(); p++)
      push_back(*p);
}

void List::free()
{  while (begin() != end())
            erase(begin());
}

void print(const List& l)
{
    Iterator pos;
    for (pos = l.begin(); pos != l.end(); pos++)
        cout << *pos << "\n";
}

int main()
{  List staff;

   staff.push_back("Cracker, Carl");
   staff.push_back("Hacker, Harry");
   staff.push_back("Lam, Larry");
   staff.push_back("Sandman, Susan");

   List newstaff(staff); // copy constructor
   cout << "newstaff1:" << endl;
   print(newstaff);

   Iterator pos;
   /* add a value in fourth place */
   pos = staff.begin();
   pos++;
   pos++;
   pos++;
   staff.insert(pos, "Reindeer, Rudolf");

   /* remove the value in second place */
   pos = staff.begin();
   pos++;
   staff.erase(pos);

   cout << "staff1:" << endl;
   print(staff);
   cout << "newstaff2:" << endl;
   print(newstaff);
   
   staff = newstaff; // overloaded assignment operator
   cout << "staff2:" << endl;
   print(staff);
                    // destructor
   return 0;
}
nkirov@cpp % c++ list00.cpp
nkirov@cpp % ./a.out
newstaff1:
Cracker, Carl
Hacker, Harry
Lam, Larry
Sandman, Susan
staff1:
Cracker, Carl
Lam, Larry
Reindeer, Rudolf
Sandman, Susan
newstaff2:
Cracker, Carl
Hacker, Harry
Lam, Larry
Sandman, Susan
staff2:
Cracker, Carl
Hacker, Harry
Lam, Larry
Sandman, Susan
nkirov@cpp %

Големите три (Rule of three) се дефинират винаги, когато при създаване на обект се заемат системни ресурси (динамична памет, файлове).