经典收藏之 - C++内存管理详解_c++ fundamentals and memory management

作者：寸_铁 | 2024-08-22 07:07:37

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c++ fundamentals and memory management

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。本文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。

　　 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。

　　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、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。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试图耗尽操作系统的内存

　　8、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”。

　　* 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。

　　* 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。

　　* 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。

　　 9、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。

　　 10、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。

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