C/C++ 内存管理

转载书籍《林锐-高质量C、C++编程指南》

 

欢迎进入内存这片雷区。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。本章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，但是分配的内容容量有限。

　　（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。动态内存的生存周期由程序员决定，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。有时用户怒气冲冲的把你找来，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：

　　（1），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位 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：一是没有初始化的概念；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。

　　（3），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。

　　（4），忘记了释放内存，造成内存泄漏。

　　　　　　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。

　　　　　　动态内存的申请和释放必须配对，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）。

　　（5），释放了内存却继续使用它。

　　　　　　有三种情况：

　　　　　　a），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。

　　　　　　b），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。

　　　　　　c），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”。

 

•　　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。

•　　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。

•　　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

•　　动态内存的申请与释放必须配对，防止内存泄露。

•　　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，她的特征是“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

　　　　　　如下示例，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），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;

　　（2），内容复制与比较

　　　　　　不能对数组名进行直接复制与比较。如下示例，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 a 和 b 的内容是否相同，不能用 if(p==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 个字符的内从，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）。如下示例中，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。如下示例中，不论数组 a 的容量是多少，sizeof(a) 时钟等于 sizeof(char*).

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

 

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，如下示例，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 依然为 NULL
    strcpy(str, "hello");            //运行错误
}

　　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 票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”，如下所示：

void GetMemory(char **p, int num)
{
    *p = (char *)malloc(sizeof(char)*num);
}

void Test(void)
{
    char *str = NULL;
    GetMemory(&str, 100);        //注意参数是 &str，不是str
    strcpy(str, "hello");     
    cout << str << endl;      
    free(str);
}

　　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，如下所示：

char * GetMemory(int num)
{
    char *p = (char *)malloc(sizeof(char)*num);
    return p;
}

void Test(void)
{
    char *str = NULL;
    str = GetMemory(100);
    strcpy(str, "hello");
    cout <<str << endl;
    free(str);
}

　　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，如下所示：

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
    cout << str <<endl;
}

　　用调试器逐步跟踪 Test，发现执行 str = GetString 语句后 str 不再是 NULL 指针，但是 str 的内容也不是“hello world”而是垃圾。

　　如果把上面示例改成如下，会怎么样？

char *GetString(void)
{
    char *p = "hello world";
    return p;
}

void Test(void)
{
    char *str = NULL;
    str = GetString2();
    cout << str << endl;
}

　　函数 Test 运行虽然不会出错，但是函数 GetString 的设计概念却是错误的。因为 GetString 内的“hello world” 是常量字符串，位于静态存储区，它在程序生命周期内恒定不变。无论什么时候调用 GetString，它返回的始终是同一个“只读”的内存块。

 

5，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。

　　用调试器跟踪下面示例，发现指针 p 被free 以后其地址仍然不变（非NULL），只是改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
}

 

6，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。很多人误以为以下示例是正确的。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？
}

　　我们发现指针有一些“似是而非”的特征：

　　　　a，指针消亡了，并不表示它所指的内存会被自动释放

　　　　b，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？

 

7，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：

　　　　a，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);

　　　　b，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。

　　　　c，指针操作超越了变量的作用范围。这种情况让人防不胜防。

 

8，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，他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 malloc/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，如下所示：

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
}

　　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。

 

9，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。

　　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)，为：“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，一般来说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高速大家。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，如下所示，这个程序会无休止的运行下去，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的响，Windows 98 已经累的对键盘、鼠标毫无反应。

　　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。

　　必须强调：不加错误处理将导致程序质量很差，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);
    }
}

 

10，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。

　　（1）malloc 返回值的类型是 void *，所以在调用 malloc 时要显示的进行类型转换，将 void * 转换成所需要的指针类型

　　（2）malloc 函数本身并不识别要申请的内存是什么类型，它只会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 位系统下是 4 个字节，而 float 变量在 16 位系统下是 4 个字节，在 32 位系统下也是 4 个字节。

　　　　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。

　　（3）函数 free 的原型如下：

　　　　　　void free(void * memblock);

　　　　为什么 free 函数不像 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) 能正确的释放内存。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。

 

11，new/delete 的使用要点

　　运算符 new 使用起来要比函数 malloc 简单的多，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。

 

12，心得体会

　　（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。