第7章 內存管理
歡迎進入內存這片雷區。偉大的Bill Gates 曾經失言： 
640K ought to be enough for everybody 

— Bill Gates 1981

程序員們經常編寫內存管理程序，往往提心吊膽。如果不想觸雷，唯一的解決辦法就是發現所有潛伏的地雷并且排除它們，躲是躲不了的。本章的內容比一般教科書的要深入得多，讀者需細心閱讀，做到真正地通曉內存管理。

7.1內存分配方式
內存分配方式有三種：

（1） 從靜態存儲區域分配。內存在程序編譯的時候就已經分配好，這塊內存在程序的整個運行期間都存在。例如全局變量，static變量。

（2） 在棧上創建。在執行函數時，函數內局部變量的存儲單元都可以在棧上創建，函數執行結束時這些存儲單元自動被釋放。棧內存分配運算內置于處理器的指令集中，效率很高，但是分配的內存容量有限。

（3） 從堆上分配，亦稱動態內存分配。程序在運行的時候用malloc或new申請任意多少的內存，程序員自己負責在何時用free或delete釋放內存。動態內存的生存期由我們決定，使用非常靈活，但問題也最多。

7.2常見的內存錯誤及其對策
發生內存錯誤是件非常麻煩的事情。編譯器不能自動發現這些錯誤，通常是在程序運行時才能捕捉到。而這些錯誤大多沒有明顯的癥狀，時隱時現，增加了改錯的難度。有時用戶怒氣沖沖地把你找來，程序卻沒有發生任何問題，你一走，錯誤又發作了。

常見的內存錯誤及其對策如下：

u 內存分配未成功，卻使用了它。

編程新手常犯這種錯誤，因為他們沒有意識到內存分配會不成功。常用解決辦法是，在使用內存之前檢查指針是否為NULL。如果指針p是函數的參數，那么在函數的入口處用assert(p!=NULL)進行檢查。如果是用malloc或new來申請內存，應該用if(p==NULL) 或if(p!=NULL)進行防錯處理。


u 內存分配雖然成功，但是尚未初始化就引用它。

犯這種錯誤主要有兩個起因：一是沒有初始化的觀念；二是誤以為內存的缺省初值全為零，導致引用初值錯誤（例如數組）。

內存的缺省初值究竟是什么并沒有統一的標準，盡管有些時候為零值，我們寧可信其無不可信其有。所以無論用何種方式創建數組，都別忘了賦初值，即便是賦零值也不可省略，不要嫌麻煩。


u 內存分配成功并且已經初始化，但操作越過了內存的邊界。

例如在使用數組時經常發生下標“多1”或者“少1”的操作。特別是在for循環語句中，循環次數很容易搞錯，導致數組操作越界。


u 忘記了釋放內存，造成內存泄露。

含有這種錯誤的函數每被調用一次就丟失一塊內存。剛開始時系統的內存充足，你看不到錯誤。終有一次程序突然死掉，系統出現提示：內存耗盡。

動態內存的申請與釋放必須配對，程序中malloc與free的使用次數一定要相同，否則肯定有錯誤（new/delete同理）。


u 釋放了內存卻繼續使用它。

有三種情況：

（1）程序中的對象調用關系過于復雜，實在難以搞清楚某個對象究竟是否已經釋放了內存，此時應該重新設計數據結構，從根本上解決對象管理的混亂局面。

（2）函數的return語句寫錯了，注意不要返回指向“棧內存”的“指針”或者“引用”，因為該內存在函數體結束時被自動銷毀。

（3）使用free或delete釋放了內存后，沒有將指針設置為NULL。導致產生“野指針”。


l 【規則7-2-1】用malloc或new申請內存之后，應該立即檢查指針值是否為NULL。防止使用指針值為NULL的內存。

l 【規則7-2-2】不要忘記為數組和動態內存賦初值。防止將未被初始化的內存作為右值使用。

l 【規則7-2-3】避免數組或指針的下標越界，特別要當心發生“多1”或者“少1”操作。

l 【規則7-2-4】動態內存的申請與釋放必須配對，防止內存泄漏。

l 【規則7-2-5】用free或delete釋放了內存之后，立即將指針設置為NULL，防止產生“野指針”。

7.3指針與數組的對比
C++/C程序中，指針和數組在不少地方可以相互替換著用，讓人產生一種錯覺，以為兩者是等價的。

數組要么在靜態存儲區被創建（如全局數組），要么在棧上被創建。數組名對應著（而不是指向）一塊內存，其地址與容量在生命期內保持不變，只有數組的內容可以改變。

指針可以隨時指向任意類型的內存塊，它的特征是“可變”，所以我們常用指針來操作動態內存。指針遠比數組靈活，但也更危險。

下面以字符串為例比較指針與數組的特性。

7.3.1 修改內容

示例7-3-1中，字符數組a的容量是6個字符，其內容為hello\0。a的內容可以改變，如a[0]= ‘X’。指針p指向常量字符串“world”（位于靜態存儲區，內容為world\0），常量字符串的內容是不可以被修改的。從語法上看，編譯器并不覺得語句p[0]= ‘X’有什么不妥，但是該語句企圖修改常量字符串的內容而導致運行錯誤。


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’; // 編譯器不能發現該錯誤

cout << p << endl;


示例7-3-1 修改數組和指針的內容


7.3.2 內容復制與比較

不能對數組名進行直接復制與比較。示例7-3-2中，若想把數組a的內容復制給數組b，不能用語句 b = a ，否則將產生編譯錯誤。應該用標準庫函數strcpy進行復制。同理，比較b和a的內容是否相同，不能用if(b==a) 來判斷，應該用標準庫函數strcmp進行比較。

語句p = a 并不能把a的內容復制指針p，而是把a的地址賦給了p。要想復制a的內容，可以先用庫函數malloc為p申請一塊容量為strlen(a)+1個字符的內存，再用strcpy進行字符串復制。同理，語句if(p==a) 比較的不是內容而是地址，應該用庫函數strcmp來比較。


// 數組…

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)

…

// 指針…

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)

…


示例7-3-2 數組和指針的內容復制與比較


7.3.3 計算內存容量

用運算符sizeof可以計算出數組的容量（字節數）。示例7-3-3（a）中，sizeof(a)的值是12（注意別忘了’\0’）。指針p指向a，但是sizeof(p)的值卻是4。這是因為sizeof(p)得到的是一個指針變量的字節數，相當于sizeof(char*)，而不是p所指的內存容量。C++/C語言沒有辦法知道指針所指的內存容量，除非在申請內存時記住它。

注意當數組作為函數的參數進行傳遞時，該數組自動退化為同類型的指針。示例7-3-3（b）中，不論數組a的容量是多少，sizeof(a)始終等于sizeof(char *)。


char a[] = "hello world";

char *p = a;

cout<< sizeof(a) << endl; // 12字節

cout<< sizeof(p) << endl; // 4字節


示例7-3-3（a） 計算數組和指針的內存容量


void Func(char a[100])

{

cout<< sizeof(a) << endl; // 4字節而不是100字節

}


示例7-3-3（b） 數組退化為指針

7.4指針參數是如何傳遞內存的？
如果函數的參數是一個指針，不要指望用該指針去申請動態內存。示例7-4-1中，Test函數的語句GetMemory(str, 200)并沒有使str獲得期望的內存，str依舊是NULL，為什么？


void GetMemory(char *p, int num)

{

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

}

void Test(void)

{

char *str = NULL;

GetMemory(str, 100); // str 仍然為 NULL 

strcpy(str, "hello"); // 運行錯誤

}


示例7-4-1 試圖用指針參數申請動態內存


毛病出在函數GetMemory中。編譯器總是要為函數的每個參數制作臨時副本，指針參數p的副本是 _p，編譯器使 _p = p。如果函數體內的程序修改了_p的內容，就導致參數p的內容作相應的修改。這就是指針可以用作輸出參數的原因。在本例中，_p申請了新的內存，只是把_p所指的內存地址改變了，但是p絲毫未變。所以函數GetMemory并不能輸出任何東西。事實上，每執行一次GetMemory就會泄露一塊內存，因為沒有用free釋放內存。

如果非得要用指針參數去申請內存，那么應該改用“指向指針的指針”，見示例7-4-2。


void GetMemory2(char **p, int num)

{

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

}

void Test2(void)

{

char *str = NULL;

GetMemory2(&str, 100); // 注意參數是 &str，而不是str

strcpy(str, "hello"); 

cout<< str << endl;

free(str); 

}


示例7-4-2用指向指針的指針申請動態內存


由于“指向指針的指針”這個概念不容易理解，我們可以用函數返回值來傳遞動態內存。這種方法更加簡單，見示例7-4-3。


char *GetMemory3(int num)

{

char *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);//動態分配。堆上分配

return p;

}

void Test3(void)

{

char *str = NULL;

str = GetMemory3(100); 

strcpy(str, "hello");

cout<< str << endl;

free(str); 

}


示例7-4-3 用函數返回值來傳遞動態內存


用函數返回值來傳遞動態內存這種方法雖然好用，但是常常有人把return語句用錯了。這里強調不要用return語句返回指向“棧內存”的指針，因為該內存在函數結束時自動消亡，見示例7-4-4。


char *GetString(void)

{

char p[] = "hello world";//棧上分配

return p; // 編譯器將提出警告

}

void Test4(void)

{

char *str = NULL;

str = GetString(); // str 的內容是垃圾

cout<< str << endl;

}


示例7-4-4 return語句返回指向“棧內存”的指針


用調試器逐步跟蹤Test4，發現執行str = GetString語句后str不再是NULL指針，但是str的內容不是“hello world”而是垃圾。

如果把示例7-4-4改寫成示例7-4-5，會怎么樣？


char *GetString2(void)

{

char *p = "hello world";

return p;

}

void Test5(void)

{

char *str = NULL;

str = GetString2();

cout<< str << endl;

}


示例7-4-5 return語句返回常量字符串