[转]第7章 内存管理

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版 本 历 史

版本 / 状态	作者	参与者	起止日期	备注
V  0 . 9 草稿文件	林锐		2001 - 7 - 1至 2001 - 7 - 18	林锐起草
V   1.0 正式文件	林锐		2001 - 7 - 18至 2001 - 7 - 24	朱洪海审查 V  0 . 9， 林锐修正草稿中的错误

第7章   内存管理

  欢迎进入内存这片雷区。伟大的 Bill Gates  曾经失言：

640K ought to be enough for everybody 

—  Bill Gates 1981

程序员们经常编写内存管理程序，往往提心吊胆。如果不想触雷，唯一的解决办法就是发现所有潜伏的地雷并且排除它们，躲是躲不了的。 本章的内容比一般教科书的要深入得多，读者需细心阅读，做到真正地通晓内存管理。

7 . 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。

7 . 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：

u  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。

u  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。

u  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。

u  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）。

u  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”。

l  【规则7 - 2 -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。

l  【规则7 - 2 - 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。

l  【规则7 - 2 - 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。

l  【规则7 - 2 - 4】 动态内存的申请与释放必须配对，防止内存泄漏。

l  【规则7 - 2 - 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”。

7 . 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。

7.3.1  修改内容

  示例 7-3- 1中，字符数组 a 的容量是6个字符，其内容为 hello\0 。 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\0 ），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 7-3- 1   修改数组和指针的内容

7.3.2  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 7-3- 2   数组和指针的内容复制与比较

7.3.3  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 ’\0’ ）。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它。

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 7-3-3 （ 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 7-3-3 （ b ） 数组退化为指针

7 . 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？

v oid 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 7-4-1  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 7-4- 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 7-4- 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 7-4- 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 7-4- 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 7-4- 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 7-4- 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 7-4- 4 改写成 示例 7-4- 5 ，会怎么样？

char *Get String 2(void)

{

  char *p = "hello world";

  return p;

}

void Test5(void)

{

  char * str  = NULL;

  str  =   Get String 2();

  cout<<  str  << endl;

}

示例 7-4- 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。

7 . 5  free 和 delete 把指针怎么啦？

别看 free 和 delete 的名字恶狠狠的（尤其是 delete ），它们只是把指针所指的内存给释放掉，但并没有把指针本身干掉。

用调试器跟踪示例 7-5 ，发现指针 p 被 free 以后其地址仍然不变（非 NULL ），只是该地址对应的内存是垃圾， p 成了“野指针”。如果此时不把 p 设置为 NULL ，会让人误以为 p 是个合法的指针。

如果程序比较长，我们有时记不住 p 所指的内存是否已经被释放，在继续使用 p 之前，通常会用语句 if   (p != NULL) 进行防错处理。很遗憾，此时 if 语句起不到防错作用，因为即便 p 不是 NULL 指针，它也不指向合法的内存块。

  char *p = (char *) malloc(100);

  strcpy(p, “hello”);

  free(p);       // p   所指的内存被释放，但是 p 所指的地址仍然不变

  …

  if(p != NULL)   // 没有起到防错作用

  {

     strcpy(p, “world”);   //  出错

}

示例 7- 5   p 成为野指针

7 .6  动态内存会被自动释放吗？

  函数体内的局部变量在函数结束时自动消亡。很多人误以为示例 7-6 是正确的。理由是 p 是局部的指针变量，它消亡的时候会让它所指的动态内存一起完蛋。这是错觉！

  void Func(void)

{

  char *p = (char *) malloc(100);   //  动态内存会自动释放吗？

}

示例 7- 6 试图让动态内存自动释放

  我们发现指针有一些“似是而非”的特征：

（1）指针消亡了，并不表示它所指的内存会被自动释放。

（2）内存被释放了， 并不表示指针会消亡或者成了 NULL 指针。

这表明释放内存并不是一件可以草率对待的事。也许有人不服气，一定要找出可以草率行事的理由：

  如果程序终止了运行，一切指针都会消亡，动态内存会被操作系统回收。既然如此，在程序临终前，就可以不必释放内存、不必将指针设置为 NULL 了。终于可以偷懒而不会发生错误了吧？

  想得美。如果别人把那段程序取出来用到其它地方怎么办？

7 . 7   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。参见 7.5 节。

（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。

7 . 8   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 7-8 。

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 7-8  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。

如果用 free 释放“ new 创建的动态对象”，那么该对象因无法执行析构函数而可能导致程序出错。如果用 delete 释放“ malloc 申请的动态内存”，理论上讲程序不会出错，但是该程序的可读性很差。所以 new/delete 必须配对使用， malloc/free 也一样。

7 . 9   内存耗尽怎么办？

  如果在申请动态内存时找不到足够大的内存块， malloc 和 new 将返回 NULL 指针，宣告内存申请失败。通常有三种方式处理“内存耗尽”问题。

（1）判断指针是否为 NULL ，如果是则马上用 return 语句终止本函数。例如：

void Func(void)

{

A  *a = new A;

if(a == NULL)

{

  return;

  }

…

}

（2）判断指针是否为 NULL ，如果是则马上用 exit(1) 终止整个程序的运行。例如：

void Func(void)

{

A  *a = new A;

if(a == NULL)

{

  cout << “Memory Exhausted” << endl;

  exit(1);

}

  …

}

（3）为 new 和 malloc 设置异常处理函数。例如 Visual C++ 可以用 _set_new_hander 函数为 new 设置用户自己定义的异常处理函数，也可以让 malloc 享用与 new 相同的异常处理函数。详细内容请参考 C++ 使用手册。

  上述（1）（2）方式使用最普遍。如果一个函数内有多处需要申请动态内存，那么方式（1）就显得力不从心（释放内存很麻烦），应该用方式（2）来处理。

很多人不忍心用 exit(1) ，问：“不编写出错处理程序，让操作系统自己解决行不行？”

  不行。如果发生“内存耗尽”这样的事情，一般说来应用程序已经无药可救。如果不用 exit(1)  把坏程序杀死，它可能会害死操作系统。道理如同：如果不把歹徒击毙，歹徒在老死之前会犯下更多的罪。

  有一个很重要的现象要告诉大家。对于32位以上的应用程序而言，无论怎样使用 malloc 与 new ，几乎不可能导致“内存耗尽”。我在 Windows 98 下用 Visual C++ 编写了测试程序，见示例 7-9 。这个程序会无休止地运行下去，根本不会终止。因为32位操作系统支持“虚存”，内存用完了，自动用硬盘空间顶替。我只听到硬盘嘎吱嘎吱地响， Window 98 已经累得对键盘、鼠标毫无反应。

我可以得出这么一个结论：对于32位以上的应用程序，“内存耗尽”错误处理程序毫无用处。这下可把 Unix 和 Windows 程序员们乐坏了：反正错误处理程序不起作用，我就不写了，省了很多麻烦。

我不想误导读者，必须强调：不加错误处理将导致程序的质量很差，千万不可因小失大。

void main(void)

{

  float *p = NULL;

  while(TRUE)

  {

    p = new float[1000000];  

    cout << “eat memory” << endl;

    if(p==NULL)

      exit(1);

  }

}

示例 7-9 试图耗尽操作系统的内存

7 . 10  malloc/free  的使用要点

  函数 malloc 的原型如下：

    void * malloc(size_t size);

  用 malloc 申请一块长度为 length 的整数类型的内存，程序如下：

    int  *p = (int *) malloc(sizeof(int) * length);

我们应当把注意力集中在两个要素上： “类型转换”和“ sizeof ” 。

u  malloc 返回值的类型是 void * ，所以在调用 malloc 时要显式地进行类型转换，将 void *  转换成所需要的指针类型。

u  malloc 函数本身并不识别要申请的内存是什么类型，它只关心内存的总字节数。我们通常记不住 int, float 等数据类型的变量的确切字节数。例如 int 变量在16位系统下是2个字节，在32位下是4个字节；而 float 变量在16位系统下是 4 个字节，在32位下也是4个字节。最好用以下程序作一次测试：

cout << sizeof(char) << endl;

cout << sizeof(int) << endl;

cout << sizeof(unsigned int) << endl;

cout << sizeof(long) << endl;

cout << sizeof(unsigned long) << endl;

cout << sizeof(float) << endl;

cout << sizeof(double) << endl;

  cout << sizeof(void *) << endl;

 

  在 malloc 的“ () ”中使用 sizeof 运算符是良好的风格，但要当心有时我们会昏了头，写出  p = malloc(sizeof(p)) 这样的程序来。

u  函数 free 的原型如下：

void free( void *   memblock );

  为什么 free 函数不象 malloc 函数那样复杂呢？这是因为指针 p 的类型以及它所指的内存的容量事先都是知道的，语句 free(p) 能正确地释放内存。如果 p 是 NULL 指针，那么 free 对 p 无论操作多少次都不会出问题。如果 p 不是 NULL 指针，那么 free 对 p 连续操作两次就会导致程序运行错误。

7 . 11  new/delete  的使用要点

  运算符 new 使用起来要比函数 malloc 简单得多，例如：

int  *p1 = (int *)malloc(sizeof(int) * length);

int  *p2 = new int[length];

这是因为 new 内置了 sizeof 、类型转换和类型安全检查功能。对于非内部数据类型的对象而言， new 在创建动态对象的同时完成了初始化工作。如果对象有多个构造函数，那么 new 的语句也可以有多种形式。例如

class Obj

{

public :

  Obj(void);     //  无参数的构造函数

  Obj(int x);     // 带一个参数的构造函数

…

}

void Test(void)

{

  Obj  *a = new Obj;

  Obj  *b = new Obj(1);   //  初值为1

  …

  delete a;

  delete b;

}

如果用 new 创建对象数组，那么只能使用对象的无参数构造函数。例如

  Obj  *objects = new Obj[100];   //  创建100个动态对象

不能写成

  Obj  *objects = new Obj[100](1);//  创建100个动态对象的同时赋初值1

在用 delete 释放对象数组时，留意不要丢了符号‘ [] ’。例如

  delete []objects;   //  正确的用法

delete objects;   //  错误的用法

后者相当于 delete objects[0] ，漏掉了另外99个对象。

7 . 12   一些心得体会

我认识不少技术不错的 C++/C 程序员，很少有人能拍拍胸脯说通晓指针与内存管理（包括我自己）。我最初学习 C 语言时特别怕指针，导致我开发第一个应用软件（约1万行 C 代码）时没有使用一个指针，全用数组来顶替指针，实在蠢笨得过分。躲避指针不是办法，后来我改写了这个软件，代码量缩小到原先的一半。

我的经验教训是：

（1）越是怕指针，就越要使用指针。不会正确使用指针，肯定算不上是合格的程序员。

（2）必须养成“使用调试器逐步跟踪程序”的习惯，只有这样才能发现问题的本质。