C语言-内存管理之一[内存分配]

内存分配

1.1 内存分配

1.1.1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，变量等。

   （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申请任意多少所需要的内存，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。

全局变量和static变量是程序是整个程序都需要用到的，单独分出一块存储区保存，该存储区存储的数据不清空，在程序的整个运行期间；局部变量是函数退出时自动清空的，放在栈（stack）里做临时存储。用指令new和malloc分配的内存需要自己手动申请在堆（heap）中申请并手动用free和delete指令释放。

     关于英文单词stack和heap的解释。从英汉词典里看这两个单词意思都有堆的意思，stack还可查到栈的意思，不好区分，让人迷惑。然而在英英词典里这两个单词的意思差异明显。Stack: a neat pile of things，而Heap: a large untidy pile of things。一个是整洁、整齐的一堆，而另一个是不整齐、凌乱的一堆。

1.1.2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：

²  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。

²  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。

²  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。

²  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）。

²  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”。

1.1.3 内存使用一般规则

【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”。

1.1.4 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。

（1）修改内容

下例中，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。

#include

void main()

{

    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;

}

（2）内容复制与比较

不能对数组名进行直接复制与比较。下例中，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)

…

（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）。下例（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。下例（b）中，不论数组a的容量是多少，sizeof(a)始终等于sizeof(char *)。

//示例（a）

char a[] = "hello world";

char *p = a;

cout<< sizeof(a) << endl; // 12字节

cout<< sizeof(p) << endl; // 4字节

 

//示例(b)

void Func(char a[100])

{

　cout<< sizeof(a) << endl; // 4字节而不是100字节

}