面试题：C++字符串常量与const char* 及string的内存关联与转换

Question

在C++中，const char* 可以指向字符串常量，而string类也常用于处理字符串。请详细说明字符串常量与const char* 以及string之间在内存分配上的关系，如何实现它们之间的转换，在转换过程中内存是如何管理的，并分析可能出现的内存问题及解决方案。

Answer 1

内存分配关系

1. 字符串常量：字符串常量存储在程序的只读数据段。例如 "Hello" 这样的字符串常量，在程序运行期间其值不能被修改，占用一段连续的内存空间。
2. const char*：const char* 是一个指针，它可以指向字符串常量。指针本身存储在栈上（如果是局部变量），而它指向的字符串常量在只读数据段。例如 const char* str = "Hello";，str 在栈上，"Hello" 在只读数据段。
3. string：string 类对象存储在栈上（如果是局部变量），它内部有一个指向动态分配内存的指针，该动态分配的内存用于存储字符串内容，位于堆上。例如 string s = "Hello";，s 本身在栈上，s 内部指向的存储 "Hello" 的内存位于堆上。

转换方式及内存管理

1. const char* 转 string：
   • 可以使用 string 的构造函数。例如：

   const char* cstr = "Hello";
   string s(cstr);
   

   • 内存管理：string 类会在堆上分配足够的空间来存储 cstr 指向的字符串内容，然后复制字符串。当 string 对象生命周期结束时，string 类的析构函数会释放堆上分配的内存。
2. string 转 const char*：
   • 可以使用 string 类的 c_str() 成员函数。例如：

   string s = "Hello";
   const char* cstr = s.c_str();
   

   • 内存管理：c_str() 返回的指针指向 string 对象内部的字符数组（该数组以 '\0' 结尾），但 string 类对象负责管理这块内存。调用者不应尝试释放该指针指向的内存。而且，只要 string 对象的内容不发生改变，c_str() 返回的指针就保持有效。如果 string 对象发生改变（例如插入、删除字符），c_str() 返回的指针可能不再有效。
3. 字符串常量转 string：
   • 同样使用 string 的构造函数。例如：

   string s = "Hello";
   

   • 内存管理：string 类在堆上分配内存来存储字符串常量的内容，并复制字符串。当 string 对象销毁时，释放堆上的内存。
4. 字符串常量转 const char*：
   • 直接赋值即可。例如：

   const char* cstr = "Hello";
   

   • 内存管理：cstr 指向只读数据段中的字符串常量，不需要额外的内存分配或释放操作，因为字符串常量的生命周期与程序相同。

可能出现的内存问题及解决方案

1. 内存泄漏（const char* 转 string）：
   • 问题：如果在构造 string 对象后，没有正确释放相关资源（例如在异常情况下），可能导致内存泄漏。
   • 解决方案：使用智能指针或确保 string 对象在作用域结束时正常析构。例如，在 try - catch 块中正确处理异常，避免资源泄漏。
2. 悬空指针（string 转 const char*）：
   • 问题：如果 string 对象被销毁，而其 c_str() 返回的指针仍在使用，就会产生悬空指针。
   • 解决方案：确保在 string 对象的生命周期内使用 c_str() 返回的指针，或者在需要长期使用字符串内容时，将其复制到新的 const char* 指向的独立分配的内存中（例如使用 strdup 函数，在 C++ 中可以自己实现复制逻辑）。
3. 缓冲区溢出：
   • 问题：当从 const char* 向 string 转换或反向转换时，如果操作不当，可能导致缓冲区溢出。例如，在手动复制 const char* 内容到 string 预留的缓冲区时，如果 const char* 内容过长就会溢出。
   • 解决方案：使用安全的字符串操作函数，string 类本身在处理字符串复制等操作时相对安全，但在手动操作时要注意边界检查。