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。

原文地址:https://www.cnblogs.com/noryes/p/5784128.html