C/C++内存管理

发布时间:2009年08月31日      浏览次数:1179 次
1、内存分配方式
  内存分配方式有三种:
  (1)从静态存储区域分配。内存在程序编译的时候就已经分配好,这块内存在程序的整个运行期间都存在。例如全局变量,static变量。
  (2)在栈上创建。在执行函数时,函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建,函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中,效率很高,但是分配的内存容量有限。
  (3) 从堆上分配,亦称动态内存分配。程序在运行的时候用malloc或new申请任意多少的内存,程序员自己负责在何时用free或delete释放内存。动态内存的生存期由我们决定,使用非常灵活,但问题也最多。
2、常见的内存错误及其对策
  发生内存错误是件非常麻烦的事情。编译器不能自动发现这些错误,通常是在程序运行时才能捕捉到。而这些错误大多没有明显的症状,时隐时现,增加了改错的难度。有时用户怒气冲冲地把你找来,程序却没有发生任何问题,你一走,错误又发作了。 常见的内存错误及其对策如下:
  * 内存分配未成功,却使用了它。
  编程新手常犯这种错误,因为他们没有意识到内存分配会不成功。常用解决办法是,在使用内存之前检查指针是否为NULL。如果指针p是函数的参数,那么在函数的入口处用assert(p!=NULL)进行
  检查。如果是用malloc或new来申请内存,应该用if(p==NULL) 或if(p!=NULL)进行防错处理。
  * 内存分配虽然成功,但是尚未初始化就引用它。
  犯这种错误主要有两个起因:一是没有初始化的观念;二是误以为内存的缺省初值全为零,导致引用初值错误(例如数组)。内存的缺省初值究竟是什么并没有统一的标准,尽管有些时候为零值,我们宁可信其无不可信其有。所以无论用何种方式创建数组,都别忘了赋初值,即便是赋零值也不可省略,不要嫌麻烦。
  * 内存分配成功并且已经初始化,但操作越过了内存的边界。
  例如在使用数组时经常发生下标“多1”或者“少1”的操作。特别是在for循环语句中,循环次数很容易搞错,导致数组操作越界。
  * 忘记了释放内存,造成内存泄露。
  含有这种错误的函数每被调用一次就丢失一块内存。刚开始时系统的内存充足,你看不到错误。终有一次程序突然死掉,系统出现提示:内存耗尽。
  动态内存的申请与释放必须配对,程序中malloc与free的使用次数一定要相同,否则肯定有错误(new/delete同理)。
  * 释放了内存却继续使用它。
 
  有三种情况:
  (1)程序中的对象调用关系过于复杂,实在难以搞清楚某个对象究竟是否已经释放了内存,此时应该重新设计数据结构,从根本上解决对象管理的混乱局面。
  (2)函数的return语句写错了,注意不要返回指向“栈内存”的“指针”或者“引用”,因为该内存在函数体结束时被自动销毁。
  (3)使用free或delete释放了内存后,没有将指针设置为NULL。导致产生“野指针”。
  【规则1】用malloc或new申请内存之后,应该立即检查指针值是否为NULL。防止使用指针值为NULL的内存。
  【规则2】不要忘记为数组和动态内存赋初值。防止将未被初始化的内存作为右值使用。
  【规则3】避免数组或指针的下标越界,特别要当心发生“多1”或者“少1”操作。
  【规则4】动态内存的申请与释放必须配对,防止内存泄漏。
  【规则5】用free或delete释放了内存之后,立即将指针设置为NULL,防止产生“野指针”。
3、指针与数组的对比
  C++/C程序中,指针和数组在不少地方可以相互替换着用,让人产生一种错觉,以为两者是等价的。
  数组要么在静态存储区被创建(如全局数组),要么在栈上被创建。数组名对应着(而不是指向)一块内存,其地址与容量在生命期内保持不变,只有数组的内容可以改变。
  指针可以随时指向任意类型的内存块,它的特征是“可变”,所以我们常用指针来操作动态内存。指针远比数组灵活,但也更危险。
  下面以字符串为例比较指针与数组的特性。
3.1 修改内容
  示例3-1中,字符数组a的容量是6个字符,其内容为hello。a的内容可以改变,如a[0]= ‘X’。指针p指向常量字符串“world”(位于静态存储区,内容为world),常量字符串的内容是不可以被修改的。从语法上看,编译器并不觉得语句 p[0]= ‘X’有什么不妥,但是该语句企图修改常量字符串的内容而导致运行错误。
char a[] = “hello”;
a[0] = ‘X’;
cout << a << endl;
char *p = “world”; // 注意p指向常量字符串
p[0] = ‘X’; // 编译器不能发现该错误
cout << p << endl;
      示例3.1 修改数组和指针的内容
3.2 内容复制与比较
  不能对数组名进行直接复制与比较。示例7-3-2中,若想把数组a的内容复制给数组b,不能用语句 b = a ,否则将产生编译错误。应该用标准库函数strcpy进行复制。同理,比较b和a的内容是否相同,不能用if(b==a) 来判断,应该用标准库函数strcmp进行比较。
  语句p = a 并不能把a的内容复制指针p,而是把a的地址赋给了p。要想复制a的内容,可以先用库函数malloc为p申请一块容量为strlen(a)+1个字符的内存,再用strcpy进行字符串复制。同理,语句if(p==a) 比较的不是内容而是地址,应该用库函数strcmp来比较。
// 数组…
char a[] = "hello";
char b[10];
strcpy(b, a); // 不能用 b = a;
if(strcmp(b, a) == 0) // 不能用 if (b == a)

// 指针…
int len = strlen(a);
char *p = (char *)malloc(sizeof(char)*(len+1));
strcpy(p,a); // 不要用 p = a;
if(strcmp(p, a) == 0) // 不要用 if (p == a)

       示例3.2 数组和指针的内容复制与比较
3.3 计算内存容量
  用运算符sizeof可以计算出数组的容量(字节数)。示例7-3-3(a)中,sizeof(a)的值是12(注意别忘了’’)。指针p指向a,但是 sizeof(p)的值却是4。这是因为sizeof(p)得到的是一个指针变量的字节数,相当于sizeof(char*),而不是p所指的内存容量。 C++/C语言没有办法知道指针所指的内存容量,除非在申请内存时记住

注意当数组作为函数的参数进行传递时,该数组自动退化为同类型的指针。示例7-3-3(b)中,不论数组a的容量是多少,sizeof(a)始终等于sizeof(char *)。
char a[] = "hello world";
char *p = a;
cout<< sizeof(a) << endl; // 12字节
cout<< sizeof(p) << endl; // 4字节
     示例3.3(a) 计算数组和指针的内存容量
void Func(char a[100])
{
 cout<< sizeof(a) << endl; // 4字节而不是100字节
}
     示例3.3(b) 数组退化为指针
4、指针参数是如何传递内存的?
  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函数的语句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4.4改写成示例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。
5、杜绝“野指针”
  “野指针”不是NULL指针,是指向“垃圾”内存的指针。人们一般不会错用NULL指针,因为用if语句很容易判断。但是“野指针”是很危险的,if语句对它不起作用。 “野指针”的成因主要有两种:
  (1)指针变量没有被初始化。任何指针变量刚被创建时不会自动成为NULL指针,它的缺省值是随机的,它会乱指一气。所以,指针变量在创建的同时应当被初始化,要么将指针设置为NULL,要么让它指向合法的内存。例如
char *p = NULL;
char *str = (char *) malloc(100);
  (2)指针p被free或者delete之后,没有置为NULL,让人误以为p是个合法的指针。
  (3)指针操作超越了变量的作用范围。这种情况让人防不胜防,示例程序如下:
class A
{
 public:
  void Func(void){ cout << “Func of class A” << endl; }
};
void Test(void)
{
 A *p;
 {
  A a;
  p = &a; // 注意 a 的生命期
 }
 p->Func(); // p是“野指针”
}
  函数Test在执行语句p->Func()时,对象a已经消失,而p是指向a的,所以p就成了“野指针”。但奇怪的是我运行这个程序时居然没有出错,这可能与编译器有关。
6、有了malloc/free为什么还要new/delete?
  malloc与free是C++/C语言的标准库函数,new/delete是C++的运算符。它们都可用于申请动态内存和释放内存。
  对于非内部数据类型的对象而言,光用maloc/free无法满足动态对象的要求。对象在创建的同时要自动执行构造函数,对象在消亡之前要自动执行析构函数。由于malloc/free是库函数而不是运算符,不在编译器控制权限之内,不能够把执行构造函数和析构函数的任务强加于malloc/free。
  因此C++语言需要一个能完成动态内存分配和初始化工作的运算符new,以及一个能完成清理与释放内存工作的运算符delete。注意 new/delete不是库函数。我们先看一看malloc/free和new/delete如何实现对象的动态内存管理,见示例6。
class Obj
{
 public :
  Obj(void){ cout << “Initialization” << endl; }
  ~Obj(void){ cout << “Destroy” << endl; }
  void Initialize(void){ cout << “Initialization” << endl; }
  void Destroy(void){ cout << “Destroy” << endl; }
};
void UseMallocFree(void)
{
 Obj *a = (obj *)malloc(sizeof(obj)); // 申请动态内存
 a->Initialize(); // 初始化
 //…
 a->Destroy(); // 清除工作
 free(a); // 释放内存
}
void UseNewDelete(void)
{
 Obj *a = new Obj; // 申请动态内存并且初始化
 //…
 delete a; // 清除并且释放内存
}
     示例6 用malloc/free和new/delete如何实现对象的动态内存管理
  类Obj的函数Initialize模拟了构造函数的功能,函数Destroy模拟了析构函数的功能。函数UseMallocFree中,由于 malloc/free不能执行构造函数与析构函数,必须调用成员函数Initialize和Destroy来完成初始化与清除工作。函数 UseNewDelete则简单得多。
  所以我们不要企图用malloc/free来完成动态对象的内存管理,应该用new/delete。由于内部数据类型的“对象”没有构造与析构的过程,对它们而言malloc/free和new/delete是等价的。
  既然new/delete的功能完全覆盖了malloc/free,为什么C++不把malloc/free淘汰出局呢?这是因为C++程序经常要调用C函数,而C程序只能用malloc/free管理动态内存。
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