笔记整理--C语言--内存管理——转载

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。

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：

    1. 没有初始化的观念；
    2. 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” 。

  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。

  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。

  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。

  4. 动态内存的申请与释放必须配对，防止内存泄漏。

  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” 。

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。

修改内容

字符数组 a 的容量是 6 个字符，其内容为 hello\0。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\0） ，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;

内容复制与比较

不能对数组名进行直接复制与比较。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)
…

计算内存容量

用运算符 sizeof 可以计算出数组的容量（字节数） 。sizeof(a)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。

char a[] = "hello world"; 
char *p  = a; 
cout<< sizeof(a) << endl; // 12 字节 
cout<< sizeof(p) << endl; // 4 字节

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 *)。

void Func(char a[100])
{
    cout<< sizeof(a) << endl; // 4 字节而不是 100 字节 
}

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 
}

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。很多人误以为下面的例子是正确的。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？
}

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：

  • 指针消亡了，并不表示它所指的内存会被自动释放。
  • 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？

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：

  • 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);

  • 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。

  • 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。

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。

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 
}

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。

  • 判断指针是否为 NULL，如果是则马上用 return 语句终止本函数。
  • 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。
  • 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。
void main(void)
{
    float *p = NULL;
    while(TRUE) {
      p = new float[1000000];
      cout << “eat       memory” << endl;
      if( p == NULL) {
          exit(1);
      }
    }
}

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。

posted @ 2023-08-17 14:37  suntl  阅读(11)  评论(0)  编辑  收藏  举报