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编写高质量代码：改善C++程序的150个建议（十四）_编写高质量代码 150个建议 十四

作者：你好赵伟 | 2024-04-30 07:40:01

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编写高质量代码 150个建议 十四

第3章　说一说“内存管理”的那点事儿

　　在C++的世界里，“烫”和“屯”是我们遇到得最多的两个汉字（限于VC用户）。可能有人不禁要问：这是为什么呢？

　　答案是：在VC中，栈空间未初始化的字符默认是-52，补码是0xCC。两个0xCC ，即0xCCCC在GBK编码中就是“烫”；堆空间未初始化的字符默认是-51，两个-51在GBK编码中就是“屯”。 二者都是未初始化的内存。

　　C++赋予了我们直接面对内存、操作内存的能力，但是内存管理却一直以来被认为是C++语言的一大难点。因为在C++语言中，缺少GC（垃圾回收器），内存管理需要程序员手动完成，并且还要为可能的失误承担后果。

　　正如下面的“代码故事”：

  1. #include <stdio.h> 
  2. #include <stdlib.h> 
  4. /*  
  5.    在经历过无数的"烫烫烫烫烫","屯屯屯屯屯屯"之后,  
  6.    我们都知道了：内存原来是可以驾驭的...  
  7. */  
  9. int main()  
  10. {  
  11.    /*  
  12.       原来内存管理是这样的,即便结果完美无缺,  
  13.       但却危机四伏...  
  14.    */  
  15.    const char *src="Hello Csdn!";  
  16.    char *dest=(char*) malloc(strlen(src));  
  17.    memcpy(dest,src,strlen(src)+1);  
  18.    printf("%s\n",dest);  
  20.    return 0;  
  21. }  
  22. /*  
  23.   代码结束了，故事也到此为止。但是我们要做的还很多。  
  24.   希望我们能少遇到一点烫和屯...  
  25. */

　　所以，我们要说说内存管理那点事儿，争取早日练就内存管理的高深技艺。

　　建议27：区分内存分配的方式

　　在C/C++语言中，用内存管理的水平去划分高手与菜鸟已经成为一种不成文的约定：可以从中获得更好的性能、更大自由的被称作C++高手，而程序经常面临着莫名其妙的崩溃，一遍遍的调试，费时又费力的则可能是菜鸟级别的。而这一切都源于那让人又爱又恨的C++内存管理的灵活性。其中，多样的内存分配方式就是其灵活性的最好例证之一。

　　一个程序要运行，就必须先将可执行的程序加载到计算机内存里，程序加载完毕后，就可以形成一个运行空间，并按照图3-1所示的那样进行布局。

　　代码区（Code Area）存放的是程序的执行代码；数据区（Data Area）存放的是全局数据、常量、静态变量等；堆区（Heap Area）存放的则是动态内存，供程序随机申请使用；而栈区（Stack Area）则存放着程序中所用到的局部数据。这些数据可以动态地反应程序中对函数的调用状态，通过其轨迹也可以研究其函数机制。其中，除了代码区不是我们能在代码中直接控制的，剩余三块都是我们编码过程中可以利用的。在C++中，数据区又被分成自由存储区、全局/静态存储区和常量存储区，再加上堆区、栈区，也就是说内存被分成了5个区。这5种不同的分区各有所长，适用于不同的情况。

　　栈（Stack）区

　　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将自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是所分配的内存容量有限。

　　堆（Heap）区

　　堆就是那些由new分配的内存块，其释放编译器不会管它，而是由我们的应用程序控制它，一般一个new就要对应一个delete。如果程序员没有释放掉，那么在程序结束后，操作系统就会自动回收。

自由存储区

　　自由存储区是那些由malloc等分配的内存块，它和堆十分相似，不过它是用free来结束自己生命的。

　　全局/静态存储区

　　全局变量和静态变量被分配到同一块内存中，在以前的C语言中，全局变量又分为初始化的和未初始化的，在C++里面没有作此区分，它们共同占用同一块内存区。

　　常量存储区

　　这是一块比较特殊的存储区，里面存放的是常量，不允许修改。

　　上述5种分区中，最常用的就是堆与栈，容易混淆的也是堆与栈。在BBS论坛里，几乎到处都能看到堆与栈的争论。堆与栈的区分问题，似乎是每一个C++程序员成长路上都会遇到的永恒话题。那么堆与栈之间到底有什么分别与联系呢？这就是接下来我要阐述的问题。

　　首先，还是分析下面的代码片段：

  1. const int COUNT = 10;  
  2. void Function()  
  3. {  
  4.       string* pStr = new string[COUNT];  
  5. }

　　你是否相信就这么简单的一个函数，它却涉及了5种内存分区中的3种呢？COUNT是一个常量，被安置在了常量存储区，不可修改；pStr是局部变量，理所应当地放入栈里；而通过new string[COUNT]获得的则是一块堆空间。多么精妙，多么不可思议！当然，上述代码片段只是一个示例，是经不起推敲的，因为它会引起内存泄露（缺少与new对应的delete去释放内存）。

　　似乎脱离了主题，还是言归正传，说说堆与栈的区别。总的来说，二者的区别主要有以下几个方面：

　　管理方式不同

　　对于栈来讲，它是由编译器自动管理的，无须我们手工控制；对于堆来说，它的释放工作由程序员控制，容易产生memory leak。

　　空间大小不同

　　一般来讲在32位系统下，堆内存可以达到4GB的空间，从这个角度来看堆内存几乎是没有什么限制的。但是对于栈来讲，一般都是有一定空间大小的。

　　碎片问题

　　对于堆来讲，频繁的new/delete势必会造成内存空间的不连续，从而产生大量的碎片，使程序效率降低。对于栈来讲，则不存在这个问题，其原因还要从栈的特殊数据结构说起。栈是一个具有严明纪律的队列，其中的数据必须遵循先进后出的规则，相互之间紧密排列，绝不会留给其他数据可插入之空隙，所以永远都不可能有一个内存块从栈中间弹出，它们必须严格按照一定的顺序一一弹出。

　　生长方向

　　对于堆来讲，其生长方向是向上的，也就是向着内存地址增加的方向增长；对于栈来讲，它的生长方向是向下的，是向着内存地址减小的方向增长的。

　　分配方式

　　堆都是动态分配的，没有静态分配的堆。栈有两种分配方式：静态分配和动态分配。静态分配是编译器完成的，比如局部变量的分配。动态分配由alloca函数完成，但是栈的动态分配和堆是不同的，它的动态分配是由编译器进行释放的，无须我们手工实现。

分配效率

　　栈是机器系统提供的数据结构，计算机会在底层对栈提供支持：它会分配专门的寄存器存放栈的地址，而且压栈出栈都会有专门的指令来执行，这就决定了栈的效率比较高。堆则是C/C++函数库提供的，它的机制很复杂，例如为了分配一块内存，库函数会按照一定的算法（具体的算法可以参考数据结构/操作系统）在堆内存中搜索可用的足够大小的空间，如果没有足够大小的空间（可能是由于内存碎片太多），则可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，这样就有机会分到足够大小的内存了，然后返回。显然，堆的效率比栈要低得多。

　　堆和栈相比，由于堆使用了大量new/delete，容易造成大量的内存碎片，而且它没有专门的系统支持，效率很低，另外它还可能引发用户态和核心态的切换，以及内存的申请，代价会变得很高。所以栈在程序中是应用最广泛的，就算是函数的调用也会利用栈去完成，函数调用过程中的参数、返回的地址、EBP和局部变量都是采用栈的方式存放的。所以，我们推荐大家尽量多用栈，而不是用堆。

　　虽然栈有如此多的好处，但是由于和堆相比它不是那么灵活，有时候会分配大量的内存空间，在遇到这种情况时还是用堆好一些。

　　请记住：

　　内存分配具有多种不同的方式，它们各具特点，适用于不同的情形。所以，要在合适的地方采用合适的方式完成内存的分配。

　　建议28：new/delete与new[]/delete[]必须配对使用

　　operator new和operator delete函数有两个重载版本：

  1. void* operator new (size_t);       // allocate an object  
  2. void* operator new [] (size_t);    // allocate an array  
  3. void operator delete (void*);      // free an oject  
  4. void operator delete [] (void*);   // free an array

　　熟悉C语言的朋友看到这里可能会很奇怪：在C语言中，无论申请的是单个对象，还是一个数组，管理内存所用的都是malloc/free，但是为什么到了C++里会出现两个呢？何况建议21中已经说明，new/delete在功能上比前者更加强劲。

　　先分析以下代码片段存在的问题：

  1. class Test  
  2. {  
  3. public:  
  4.     Test() { cout << "ctor" << endl; }  
  5.     ~Test() { cout << "dtor" << endl; }  
  6.     Hello(){ cout << "Hello C++" << endl; }  
  7. };  
  8. int main()  
  9. {  
  10.     cout <<"Test 1:"<< endl;  
  11.       Test* p1 = new Test[3];  
  12.       delete p1;  
  13.  
  14.       cout <<"Test 2:"<< endl;  
  15.       Test* p2 = new Test;  
  16.       delete[] p2;  
  17.  
  18.       return 0;  
  19. }

　　上述代码看起来井然有序：我们采纳了建议21，用new完成了内存申请，并且使用了与之对应的delete来释放内存。可是，执行结果却显示上述代码存在问题。在Test 1中，构造函数调用了3次，构造了3个Test类型对象，而在删除时，却只析构了一个对象p1[0]。在Test 2中，构造函数调用了一次，但是析构函数却被调用了多次，将本不属于该对象的空间当成该类型对象进行了清理。也许各大厂商意识到了这个问题，于是让编译器能够检测出这样的错误。所以在VC++2010中，如果出现上述情形，编译器就会给出“debug assertion failed”或“堆被损坏”的错误信息。

　　C++告诉我们在回收用new分配的单个对象的内存空间时用delete，在回收用new[]分配的一组对象的内存空间时用delete[]。下面我们就分析一下它们的实现原理。

无论new还是new[]，C++必须知道返回指针所指向的内存块的大小，否则它就不可能正确地释放掉这块内存，这一点很像C语言中的malloc。但是在用new[]为一个数组申请内存时，编译器还会悄悄地在内存中保存一个整数，用来表示数组中元素的个数。因为在delete一块内存时，我们不仅要知道指针指向多大的内存，更重要的是要知道指针指向的数组中对象的个数。因为只有知道了对象数量才能一一调用它们的析构函数，完成对数组中所有对象的清理。如果使用的是delete，则编译器只会将指针所指的对象当作单个对象来处理。所以对于数组，需要使用delete[]来处理；符号[]会告诉编译器在delete这块内存时，先去获取保存的那个元素数量值，然后再进行一一清理。如果你对汇编有所了解，那么你可以通过反汇编代码对此一探究竟。

　　也许你会认为C++这么设计绝对是多此一举，因为单个对象只是对象数组的一个特例，无论是一个对象，还是对象数组，我们都对元素个数进行记录，这样也就不再需要两个版本的new和delete了。但是C++之父之所以没有选择这么做，也许是为了坚持他认定的C++设计风格和宗旨：决不多费一点力。殊不知，这么做的直接后果就是需要程序员付出更多的细心与努力。

　　需要注意的是，由于内置数据类型没有构造、析构函数，所以在针对内置数据类型时，释放内存使用delete或delete[]的效果是一样的。例如：

  1. int *pArray = new int[10];  
  2. ... // processing code  
  3. delete pArray; //等同于delete[] pArray；

　　虽然针对内置类型，delete和delete[]都能正确地释放所申请的内存空间，但是如果申请的是一个数组，建议还是使用delete[]形式。

　　所以，使用new和delete的一个简单有效的原则就是：如果在调用new时使用了[]，则你在调用delete时也使用[]，如果在调用new的时候没有用[]，那么也不应该在调用时使用[]。new和delete、new[]和delete[]必须对应着使用。

　　对于那些喜欢typedef的人，还有一点需要提醒。因为在这种情况下很容易出现new[]和delete的混用。如下面的代码片段所示：

  1. typedef int scorers[LESSONS_NUM];  
  2. int *pScorer = new scorers;

　　这该使用哪一种形式的delete呢？如下所示。

  1. delete pScorer; // Wrong!!!  
  2. delete[] pScorer; // Right

　　为了避免出现这样的错误，建议不要对数组类型做typedef，或者采用STL中的vector代替数组。

　　请记住：

　　new和delete、new[]和delete[]必须对应使用，否则会出现未定义行为，导致程序崩溃。



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