谈C/C++指针精髓（二）
2008-02-18 16:09 马伟 阅读(6507) 评论(2) 编辑 收藏 举报1.3指针与内存管理
利用指针你可以将数据写入内存中的任意位置，但是，一旦你的程序中有一个野指针("wild”pointer)，即指向一个错误位置的指针，你的数据就危险了—存放在堆中的数据可能会被破坏，用来管理堆的数据结构也可能会被破坏，甚至操作系统的数据也可能会被修改，有时，上述三种破坏情况会同时发生。所以合理的正确的分配指针的地址是非常重要的。
1.3.1内存分配的方式
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，以下我们重点讲解动态内存分配。
1.3.2 malloc/free 的使用要点
malloc与free是C/C++语言的标准库函数，它用于申请动态内存和释放内存。
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 *ip = (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函数返回值的类型是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。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。这个你可以用sizeof(类型)去测试。
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 ip = malloc(sizeof(ip))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。
1.3.3 new/delete 的使用要点
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,只是C++的运算符。我们来看如下例子就知道怎么回事了。
class Object
{
public :
Object(void){std::cout << “Initialization”<< std::endl; }
~Object(void){std::cout << “Destroy”<< std::endl; }
void Initialize(void){std:: cout << “Initialization”<< std::endl; }
void Destroy(void){ std::cout << “Destroy”<< std::endl; }
}
void UseMallocFree(void)
{
Object *ip = (Object *)malloc(sizeof(Object)); // 申请动态内存
ip->Initialize(); // 初始化
//…
ip->Destroy(); // 清除工作
free(ip); // 释放内存
}
void UseNewDelete(void)
{
Object *ip = new Object; // 申请动态内存并且初始化
//…
Delete ip; // 清除并且释放内存
}
用malloc/free和new/delete如何实现对象的动态内存管理
类Object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。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。
new/delete 常使用的方法如下：
typeof *ip = new typeof[length];
类/结构 *ip = new 类结构；
一般释放如下：delete ip;
数组的释放如下：delete [] ip;
1.3.4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)
{
std::cout << “Memory Exhausted” << std::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。
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”。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。
1.3. 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”的原因主要有如下几种：
（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 *ip = NULL;
char *ip = new char;
（2）指针ip被free或者delete之后，没有置为NULL，让人误以为ip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){ std::cout << “Func of class A” << std::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”。但奇怪的是有些编译器运行这个程序时居然没有出错，这可能与编译器有关。
1.3.6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。见如下例子：
void GetMemory(char *ip, int num)
{
ip = (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
}
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ip的副本是 _ip，编译器使 _ip = ip。如果函数体内的程序修改了_ip的内容，就导致参数ip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，_ip申请了新的内存，只是把_ip所指的内存地址改变了，但是ip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”，见如下示例：
void GetMemory(char **p, int num)
{
*ip = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory(&str, 100); // 注意参数是 &str，而不是str
strcpy(str, "hello");
std::cout<< str << std::endl;
free(str);
}
用指向指针的指针申请动态内存
当然，我们也可以用函数返回值来传递动态内存。这种方法更加简单，见如下示例：
char *GetMemory(int num)
{
char *ip = (char *)malloc(sizeof(char) * num);
return ip;
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
str = GetMemory(100);
strcpy(str, "hello");
std::cout<< str << std::endl;
free(str);
}
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，见如下示例：
char *GetString(void)
{
char p[] = "hello world";
return p; // 编译器将提出警告
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
str = GetString(); // str 的内容是垃圾
std::cout<< str << std::endl;
}
return语句返回指向“栈内存”的指针
最后，根据以上阐述，我们总结如下使用规则供大家参考：
【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”。
