C++ 系列：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。

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。

（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）。

（5）释放了内存却继续使用它。

有三种情况：

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。

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。

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”。

对策如下：

【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 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。

// 示例 1 修改数组和指针的内容

char a[] = "hello";

a[0] = 'x';

std::cout << a << std::endl;

char *p = "world";

p[0] = 'x';

std::cout << p << std::endl;

 

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 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。

// 示例 2：数组和指针的内容复制与比较

// 数组

char a[] = "hello";

char b[10];

strcpy(b, a);

if(strcmp(b, a) == 0)

{

}

// 指针

int len = strlen(a);

char* p = (char*)malloc(sizeof(char) * (len + 1));

strcpy(p, a);

if(strcmp(p, a) == 0)

{

}

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 3 中，sizeof(a)的值是12。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 3 中，不论数组a的容量是多少，sizeof(a)始终等于sizeof(char *)。

// 示例 3

char a[] = "hello world";

char* p = a;

std::cout << sizeof(a) << std::endl;

std::cout << sizeof(p) << std::endl;

void func(char a[100])

{

std::cout << sizeof(a) << std::endl;

}

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，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()

{

char* str = NULL;

getmemory(str, 100);

strcpy(str, "hello");

}

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”，如下：

void getmemory2(char** p, int num)

{

*p = (char*)malloc(sizeof(char) * num);

}

void test2()

{

char* str = NULL;

getmemory2(&str, 100);

strcpy(str, "hello");

std::cout<< str << std::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：

char* getmemory3(int num)

{

char* p = (char*)malloc(sizeof(char) * num);

return p;

}

void test3()

{

char* str = NULL;

str = getmemory3(100);

strcpy(str, "hello");

std::cout<< str << std::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：

char* getstring()

{

char p[] = "hello world";

return p;

}

void test4()

{

char* str = NULL;

str = getstring();

std::cout << str << std::endl;

}

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。

如果改写成如下示例，会怎么样？

char* getstring2()

{

char* p = "hello world";

return p;

}

void test5()

{

char *str = NULL;

str = getstring2();

std::cout<< str << std::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。

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，如下：

class A

{

public:

void func()

{

std::cout << "func of class A" << std::endl;

}

};

void test()

{

A* p;

{

A a;

p = &a;

}

p->func();

}

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，如下：

class Obj

{

public:

Obj()

{

std::cout << "initialization" << std::endl;

}

~Obj()

{

std::cout << "destroy" << std::endl;

}

void initialize()

{

std::cout << "initialization" << std::endl;

}

void destroy()

{

std::cout << "destroy" << std::endl;

}

};

void usemallocfree()

{

Obj *a = (Obj*)malloc(sizeof(Obj));

a->initialize();

a->destroy();

free(a);

}

void usenewdelete()

{

Obj *a = new Obj;

delete a;

}

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、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时要显式地进行类型转换，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：

std::cout << sizeof(char) << std::endl;

std::cout << sizeof(int) << std::endl;

std::cout << sizeof(unsigned int) << std::endl;

std::cout << sizeof(long) << std::endl;

std::cout << sizeof(unsigned long) << std::endl;

std::cout << sizeof(float) << std::endl;

std::cout << sizeof(double) << std::endl;

std::cout << sizeof(void*) << std::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。

（3）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。

8、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() { }

Obj(int x) { }

};

void test()

{

Obj* a = new Obj;

Obj* b = new Obj(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];

不能写成

Obj* objects = new Obj[100](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

delete objects;     // 错误

后者相当于delete objects[0]，漏掉了另外99个对象。