第7章 內(nèi)存管理
歡迎進(jìn)入內(nèi)存這片雷區(qū)。偉大的Bill Gates 曾經(jīng)失言： 
640K ought to be enough for everybody 

— Bill Gates 1981

程序員們經(jīng)常編寫內(nèi)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(fā)現(xiàn)所有潛伏的地雷并且排除它們，躲是躲不了的。本章的內(nèi)容比一般教科書的要深入得多，讀者需細(xì)心閱讀，做到真正地通曉內(nèi)存管理。

7.1內(nèi)存分配方式
內(nèi)存分配方式有三種：

（1） 從靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)域分配。內(nèi)存在程序編譯的時(shí)候就已經(jīng)分配好，這塊內(nèi)存在程序的整個(gè)運(yùn)行期間都存在。例如全局變量，static變量。

（2） 在棧上創(chuàng)建。在執(zhí)行函數(shù)時(shí)，函數(shù)內(nèi)局部變量的存儲(chǔ)單元都可以在棧上創(chuàng)建，函數(shù)執(zhí)行結(jié)束時(shí)這些存儲(chǔ)單元自動(dòng)被釋放。棧內(nèi)存分配運(yùn)算內(nèi)置于處理器的指令集中，效率很高，但是分配的內(nèi)存容量有限。

（3） 從堆上分配，亦稱動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配。程序在運(yùn)行的時(shí)候用malloc或new申請(qǐng)任意多少的內(nèi)存，程序員自己負(fù)責(zé)在何時(shí)用free或delete釋放內(nèi)存。動(dòng)態(tài)內(nèi)存的生存期由我們決定，使用非常靈活，但問(wèn)題也最多。

7.2常見的內(nèi)存錯(cuò)誤及其對(duì)策
發(fā)生內(nèi)存錯(cuò)誤是件非常麻煩的事情。編譯器不能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)這些錯(cuò)誤，通常是在程序運(yùn)行時(shí)才能捕捉到。而這些錯(cuò)誤大多沒有明顯的癥狀，時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，增加了改錯(cuò)的難度。有時(shí)用戶怒氣沖沖地把你找來(lái)，程序卻沒有發(fā)生任何問(wèn)題，你一走，錯(cuò)誤又發(fā)作了。

常見的內(nèi)存錯(cuò)誤及其對(duì)策如下：

u 內(nèi)存分配未成功，卻使用了它。

編程新手常犯這種錯(cuò)誤，因?yàn)樗麄儧]有意識(shí)到內(nèi)存分配會(huì)不成功。常用解決辦法是，在使用內(nèi)存之前檢查指針是否為NULL。如果指針p是函數(shù)的參數(shù)，那么在函數(shù)的入口處用assert(p!=NULL)進(jìn)行檢查。如果是用malloc或new來(lái)申請(qǐng)內(nèi)存，應(yīng)該用if(p==NULL) 或if(p!=NULL)進(jìn)行防錯(cuò)處理。


u 內(nèi)存分配雖然成功，但是尚未初始化就引用它。

犯這種錯(cuò)誤主要有兩個(gè)起因：一是沒有初始化的觀念；二是誤以為內(nèi)存的缺省初值全為零，導(dǎo)致引用初值錯(cuò)誤（例如數(shù)組）。

內(nèi)存的缺省初值究竟是什么并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，盡管有些時(shí)候?yàn)榱阒担覀儗幙尚牌錈o(wú)不可信其有。所以無(wú)論用何種方式創(chuàng)建數(shù)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(nèi)存分配成功并且已經(jīng)初始化，但操作越過(guò)了內(nèi)存的邊界。

例如在使用數(shù)組時(shí)經(jīng)常發(fā)生下標(biāo)“多1”或者“少1”的操作。特別是在for循環(huán)語(yǔ)句中，循環(huán)次數(shù)很容易搞錯(cuò)，導(dǎo)致數(shù)組操作越界。


u 忘記了釋放內(nèi)存，造成內(nèi)存泄露。

含有這種錯(cuò)誤的函數(shù)每被調(diào)用一次就丟失一塊內(nèi)存。剛開始時(shí)系統(tǒng)的內(nèi)存充足，你看不到錯(cuò)誤。終有一次程序突然死掉，系統(tǒng)出現(xiàn)提示：內(nèi)存耗盡。

動(dòng)態(tài)內(nèi)存的申請(qǐng)與釋放必須配對(duì)，程序中malloc與free的使用次數(shù)一定要相同，否則肯定有錯(cuò)誤（new/delete同理）。


u 釋放了內(nèi)存卻繼續(xù)使用它。

有三種情況：

（1）程序中的對(duì)象調(diào)用關(guān)系過(guò)于復(fù)雜，實(shí)在難以搞清楚某個(gè)對(duì)象究竟是否已經(jīng)釋放了內(nèi)存，此時(shí)應(yīng)該重新設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從根本上解決對(duì)象管理的混亂局面。

（2）函數(shù)的return語(yǔ)句寫錯(cuò)了，注意不要返回指向“棧內(nèi)存”的“指針”或者“引用”，因?yàn)樵搩?nèi)存在函數(shù)體結(jié)束時(shí)被自動(dòng)銷毀。

（3）使用free或delete釋放了內(nèi)存后，沒有將指針設(shè)置為NULL。導(dǎo)致產(chǎn)生“野指針”。


l 【規(guī)則7-2-1】用malloc或new申請(qǐng)內(nèi)存之后，應(yīng)該立即檢查指針值是否為NULL。防止使用指針值為NULL的內(nèi)存。

l 【規(guī)則7-2-2】不要忘記為數(shù)組和動(dòng)態(tài)內(nèi)存賦初值。防止將未被初始化的內(nèi)存作為右值使用。

l 【規(guī)則7-2-3】避免數(shù)組或指針的下標(biāo)越界，特別要當(dāng)心發(fā)生“多1”或者“少1”操作。

l 【規(guī)則7-2-4】動(dòng)態(tài)內(nèi)存的申請(qǐng)與釋放必須配對(duì)，防止內(nèi)存泄漏。

l 【規(guī)則7-2-5】用free或delete釋放了內(nèi)存之后，立即將指針設(shè)置為NULL，防止產(chǎn)生“野指針”。

7.3指針與數(shù)組的對(duì)比
C++/C程序中，指針和數(shù)組在不少地方可以相互替換著用，讓人產(chǎn)生一種錯(cuò)覺，以為兩者是等價(jià)的。

數(shù)組要么在靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)被創(chuàng)建（如全局?jǐn)?shù)組），要么在棧上被創(chuàng)建。數(shù)組名對(duì)應(yīng)著（而不是指向）一塊內(nèi)存，其地址與容量在生命期內(nèi)保持不變，只有數(shù)組的內(nèi)容可以改變。

指針可以隨時(shí)指向任意類型的內(nèi)存塊，它的特征是“可變”，所以我們常用指針來(lái)操作動(dòng)態(tài)內(nèi)存。指針遠(yuǎn)比數(shù)組靈活，但也更危險(xiǎn)。

下面以字符串為例比較指針與數(shù)組的特性。

7.3.1 修改內(nèi)容

示例7-3-1中，字符數(shù)組a的容量是6個(gè)字符，其內(nèi)容為hello\0。a的內(nèi)容可以改變，如a[0]= ‘X’。指針p指向常量字符串“world”（位于靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)，內(nèi)容為world\0），常量字符串的內(nèi)容是不可以被修改的。從語(yǔ)法上看，編譯器并不覺得語(yǔ)句p[0]= ‘X’有什么不妥，但是該語(yǔ)句企圖修改常量字符串的內(nèi)容而導(dǎo)致運(yùn)行錯(cuò)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(fā)現(xiàn)該錯(cuò)誤

cout << p << endl;


示例7-3-1 修改數(shù)組和指針的內(nèi)容


7.3.2 內(nèi)容復(fù)制與比較

不能對(duì)數(shù)組名進(jìn)行直接復(fù)制與比較。示例7-3-2中，若想把數(shù)組a的內(nèi)容復(fù)制給數(shù)組b，不能用語(yǔ)句 b = a ，否則將產(chǎn)生編譯錯(cuò)誤。應(yīng)該用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)strcpy進(jìn)行復(fù)制。同理，比較b和a的內(nèi)容是否相同，不能用if(b==a) 來(lái)判斷，應(yīng)該用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)strcmp進(jìn)行比較。

語(yǔ)句p = a 并不能把a(bǔ)的內(nèi)容復(fù)制指針p，而是把a(bǔ)的地址賦給了p。要想復(fù)制a的內(nèi)容，可以先用庫(kù)函數(shù)malloc為p申請(qǐng)一塊容量為strlen(a)+1個(gè)字符的內(nèi)存，再用strcpy進(jìn)行字符串復(fù)制。同理，語(yǔ)句if(p==a) 比較的不是內(nèi)容而是地址，應(yīng)該用庫(kù)函數(shù)strcmp來(lái)比較。


// 數(shù)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(shù)組和指針的內(nèi)容復(fù)制與比較


7.3.3 計(jì)算內(nèi)存容量

用運(yùn)算符sizeof可以計(jì)算出數(shù)組的容量（字節(jié)數(shù)）。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?yàn)閟izeof(p)得到的是一個(gè)指針變量的字節(jié)數(shù)，相當(dāng)于sizeof(char*)，而不是p所指的內(nèi)存容量。C++/C語(yǔ)言沒有辦法知道指針?biāo)傅膬?nèi)存容量，除非在申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)記住它。

注意當(dāng)數(shù)組作為函數(shù)的參數(shù)進(jìn)行傳遞時(shí)，該數(shù)組自動(dòng)退化為同類型的指針。示例7-3-3（b）中，不論數(shù)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(jié)

cout<< sizeof(p) << endl; // 4字節(jié)


示例7-3-3（a） 計(jì)算數(shù)組和指針的內(nèi)存容量


void Func(char a[100])

{

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

}


示例7-3-3（b） 數(shù)組退化為指針

7.4指針參數(shù)是如何傳遞內(nèi)存的？
如果函數(shù)的參數(shù)是一個(gè)指針，不要指望用該指針去申請(qǐng)動(dòng)態(tài)內(nèi)存。示例7-4-1中，Test函數(shù)的語(yǔ)句GetMemory(str, 200)并沒有使str獲得期望的內(nèi)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(yùn)行錯(cuò)誤

}


示例7-4-1 試圖用指針參數(shù)申請(qǐng)動(dòng)態(tài)內(nèi)存


毛病出在函數(shù)GetMemory中。編譯器總是要為函數(shù)的每個(gè)參數(shù)制作臨時(shí)副本，指針參數(shù)p的副本是 _p，編譯器使 _p = p。如果函數(shù)體內(nèi)的程序修改了_p的內(nèi)容，就導(dǎo)致參數(shù)p的內(nèi)容作相應(yīng)的修改。這就是指針可以用作輸出參數(shù)的原因。在本例中，_p申請(qǐng)了新的內(nèi)存，只是把_p所指的內(nèi)存地址改變了，但是p絲毫未變。所以函數(shù)GetMemory并不能輸出任何東西。事實(shí)上，每執(zhí)行一次GetMemory就會(huì)泄露一塊內(nèi)存，因?yàn)闆]有用free釋放內(nèi)存。

如果非得要用指針參數(shù)去申請(qǐng)內(nèi)存，那么應(yīng)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(shù)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(qǐng)動(dòng)態(tài)內(nèi)存


由于“指向指針的指針”這個(gè)概念不容易理解，我們可以用函數(shù)返回值來(lái)傳遞動(dòng)態(tài)內(nèi)存。這種方法更加簡(jiǎn)單，見示例7-4-3。


char *GetMemory3(int num)

{

char *p = (char *)malloc(sizeof(char) * num);//動(dòng)態(tài)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(shù)返回值來(lái)傳遞動(dòng)態(tài)內(nèi)存


用函數(shù)返回值來(lái)傳遞動(dòng)態(tài)內(nèi)存這種方法雖然好用，但是常常有人把return語(yǔ)句用錯(cuò)了。這里強(qiáng)調(diào)不要用return語(yǔ)句返回指向“棧內(nèi)存”的指針，因?yàn)樵搩?nèi)存在函數(shù)結(jié)束時(shí)自動(dòng)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(nèi)容是垃圾

cout<< str << endl;

}


示例7-4-4 return語(yǔ)句返回指向“棧內(nèi)存”的指針


用調(diào)試器逐步跟蹤Test4，發(fā)現(xiàn)執(zhí)行str = GetString語(yǔ)句后str不再是NULL指針，但是str的內(nèi)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(huì)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(yǔ)句返回常量字符串