分类： C/C++
2009-07-08 00:18:49
内存管理
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。
注：一般栈内存存于处理器中的RAM中，是有限的。
（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：
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
【规则
【规则
【规则
【规则
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。
示例
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
不能对数组名进行直接复制与比较。示例
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
用运算符sizeof 可以计算出数组的容量（字节数）。示例
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
char a[] = "hello world";
char *p = a;
cout<< sizeof(a) << endl; // 12 字节
cout<< sizeof(p) << endl; // 4 字节
示例
void Func(char a[100])
{
cout<< sizeof(a) << endl; // 4 字节而不是100 字节
}
示例
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
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
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
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
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
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
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
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
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
char *GetString2(void)
{
char *p = "hello world";
return p;
}
void Test5(void)
{
char *str = NULL;
str = GetString2();
cout<< str << endl;
}
示例
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。
