C/C++中内存管理相关知识

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

常见的内存错误及其对策：

（1）内存未分配成功，却使用了它。

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。

（2）内存分配虽然成功，但是尚未初始化就引用它

出现这种错误主要有两个原因：

1.没有初始化的概念。

2.误以为内存的缺省初值为0，导致引用错误。

（3）内存分配成功并且已经初始化，但操纵越过了内存的边界

（4）忘记了释放内存，造成内存泄漏

具有这种错误的函数没被调用一次就丢失一块内存呢。

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）。

（5）释放了却继续使用它

可能有三种情况：

1.程序中的对象电泳关系过于复杂，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”。

使用内存分配的注意事项：

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

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，他的特征是“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。

1.修改内容

示例 7-3-1 中，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;

2.内容复制与比较

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。

// 数组赋值
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)

// 指针赋值
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）。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。

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。

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

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。

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
}

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。

编译器会为函数的每个函数制作临时副本，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。而在本例中，_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GetMemory并不能输出任何东西。

如果非要用指针参数去申请内存，那么应该改用”指向指针的指针“

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);
}

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。

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);
}

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。

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;
}

通过调试器单步调试跟踪 Test4， 发现虽然执行 str = GetString 语句后 str 不再是 NULL 指针，但是 str 的内容不是“hello world”而是垃圾内存。继续修改程序。

char *GetString2(void)
{
char *p = "hello world";
return p;
}
void Test5(void)
{
char *str = NULL;
str = GetString2();
cout<< str << endl;
}

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。

free和delete把指针怎么了？

free和delete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。

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“，如果不把p设置为NULL，会让人误以为p是个合法的指针。

动态内存会被自动释放吗？

（1）指针消亡了，并不代表它所指的内存会被自动释放。

（2）内存被释放了，并不表示指针会消亡或者成了NULL指针。

杜绝”野指针“

”野指针“不是NULL指针，是指向”垃圾“内存的指针。

”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。

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语言的便准库函数，new/delete是C++的运算符。

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，不再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。

内存耗尽怎么办？

通常有三种方法处理内存耗尽的问题。（目前使用的windows操作系统的几乎不会出现内存耗尽）

（ 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一场处理函数，也可以让malloc享用与new相同的异常处理函数。

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的整形类型的内容，

int p = (int )malloc(sizeof(int) * length);

我们应当把注意力集中在两个要素上：“类型转化”和“sizeof”。

malloc返回值是void ，所以在调用malloc时要显式地进行类型转化，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。

函数free的原型

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。

new/delete的使用要点

int p1 = (int )malloc(sizeof(int) * length);

int *p2 = new int[length];

new内置了sizeof、类型转换和类型安全检查功能。对于非内部类型的对象而言，new在创建动态对象的同时完成了初始化工作。

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。

参考林跃博士的《高质量C/C++编程指南》

时间： 2024-10-08 20:27:14

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